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세계 최초 상온 양자역학 현상 발견… 초절전 전자기기 만드나

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KAIST·서강대 연구진, 네이처에 발표
상온에서 전자 이동없이 전류 만들어내
'스핀펌핑' 발열 없고 에너지 손실 최소화


한국과학기술원(KAIST) 이경진(왼쪽)·김갑진(가운데) 교수와 서강대 정명화 교수

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[파이낸셜뉴스] 한국과학기술원(KAIST) 이경진·김갑진 교수와 서강대 정명화 교수 공동연구팀이 세계 최초로 상온에서 양자역학적 스핀 펌핑 현상을 발견하고 이를 실험적으로 입증했다. 즉 상온에서도 전자의 이동 없이도 전류를 만들어 낸 것으로, 이를 이용하면 발열이 거의 없고 에너지 손실이 적다. 이 기술을 활용하면 기존 반도체 기술보다 빠르게 정보 전달도 가능해 초절전 전자기기를 만들 수 있다.

이번 연구는 기존의 스핀을 이용한 전자 기술인 '스핀트로닉스' 분야에 새로운 방향을 제시했으며, 양자역학적 스핀 펌핑이 기존 방식보다 최소 10배 이상 효율적이라는 점이 밝혀졌다.

연구진은 이 연구 결과를 최고 권위의 국제 과학 학술지 '네이처(Nature)'에 30일(한국시간) 발표했다.

연구진은 철(Fe)과 로듐(Rh)으로 이루어진 특수한 합금(FeRh)을 활용했다. 이 물질은 온도를 높이면 자기 성질이 변하는 특성이 있으며, 연구팀은 이 과정에서 양자역학적 스핀 펌핑 현상이 발생하는 것을 확인했다.

스핀은 전자의 회전하는 성질로, 이를 이용하면 전기처럼 흐르는 '스핀 전류'를 만들 수 있다. 기존 방식(고전역학적 스핀 펌핑)은 자석 내부의 자기장이 흔들리면서 스핀 전류가 발생하는 방식이었다. 반면, 연구팀이 이번에 입증한 양자역학적 스핀 펌핑은 자기장의 방향이 고정된 상태에서 자기 크기가 변화하면서 스핀 전류가 생성되는 새로운 방식이다.

이번 연구에서 정명화 교수팀은 고품질 FeRh 자성 박막을 합성했고, 김갑진 교수팀은 이 물질이 자기적 변화를 일으킬 때 발생하는 스핀 전류를 실시간으로 측정하는 기술을 개발했다. 이후 이경진 교수팀은 실험 결과를 이론적으로 분석해, 관측된 현상이 양자역학적 스핀 펌핑임을 증명했다.

과학기술정보통신부는 "대부분의 양자역학적 현상이 극저온에서만 관측되는 것과 달리, 이번 연구에서는 상온에서 양자역학적 스핀 펌핑을 관측했다는 점에서 큰 의미가 있다"고 설명했다. 특히, 기존 고전역학적 방식보다 10배 이상 강한 스핀 전류를 생성하는 방법을 제시했다는 점에서 차세대 전자 소자 및 양자기술 개발에 기여할 것으로 기대된다.
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monarch@fnnews.com 김만기 기자

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