[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 한국표준과학연구원(KRISS)은 양자기술연구소 양자스핀팀이 1960년대 이론으로만 소개됐던 왼손 방향으로 회전하는 스핀파를 세계 최초로 증명해 스핀을 이용한 차세대 소자 개발에 큰 탄력이 예상된다고 30일 밝혔다.

이번에 양자스핀팀 김창수 선임연구원과 황찬용 책임연구원은 KAIST 연구진과 함께 전이금속 코발트(Co)와 희토류 가돌리늄(Gd)이 일정 비율로 혼합된 CoGd 준강자성체에서 왼손 방향의 세차운동을 하는 스핀파를 측정하고 이에 기반한 물리 현상들을 새롭게 밝혀냈다.
 
준강자성체(ferrimagnet)는 서로 다른 크기의 반평행한 자화들로 이뤄진 자성체이며, 세차운동(precession)은 회전하는 천체나 물체의 회전축 자체가 도는 현상이다.

나노미터 크기의 작은 자석(스핀)들이 집단으로 움직여 만들어낸 파형인 스핀파는 작동 주파수가 매우 높은 영역에 분포하고 전력의 소비가 매우 적어 초고속 저전력 소자에 적용할 수 있다.

스핀(spin)과 일렉트로닉스(electronics)의 합성어인 스핀트로닉스를 실현하려면 전자의 스핀 방향을 자유롭게 제어해 정보를 저장할 수 있어야 한다.
 
주변에서 흔히 볼 수 있는 자석을 잘게 쪼개면 전자스핀 하나에 해당하는 작은 자석까지 나눌 수 있고 이 자석에 자기장이 주어지면 오른손 방향으로 세차운동을 하는 성질을 갖는다.

그러나 반평행하게 정렬된 코발트와 가돌리늄의 단위 자화는 회전 관성이 더 큰 가돌리늄의 자화 때문에 전체적으로 왼손 방향으로 회전하는 성질을 가질 수 있다.
1960년대에 준강자성체의 세차운동에 대한 이론들이 발표되면서 왼손 방향 운동이 예측됐지만 아직 미시적인 수준에서는 관찰하지 못했다.

공동 연구팀은 빛과 스핀파 사이의 충돌을 이용하는 기법인 브릴루앙 광산란법(Brillouin light scattering)을 사용해 60년만에 왼손방향 이론을 실험으로 증명했다.

실험에서 CoGd 준강자성체에 빛을 쪼아 스핀파와 충돌시킨 뒤 되돌아온 빛을 분석해 스핀파가 가진 에너지와 운동량을 알아냈다.

이번 연구를 통해 수십 피코초(ps·1000억분의 1초) 영역에서 왼손 방향 운동을 처음으로 관찰했으며 준강자성체의 자화보상온도에서 스핀파 에너지가 0 근처로 수렴하고 자기장의 증가에 따라 각운동량 보상온도가 같이 증가하는 현상도 새롭게 밝혀냈다.

이번 연구결과는 재료과학분야 국제 학술지인 '네이처 머티리얼즈'(Nature Materials–IF: 38.887) 온라인판에 6월30일자로 게재됐다. 논문명:Distinct handedness of spin wave across the compensation temperatures of ferrimagnets.

황찬용 책임연구원은 "지금까지는 오른쪽으로 도는 자화를 기반으로만 이론이 제시되고 실험이 진행됐다"며 "스핀파의 왼손 방향 운동을 최초로 규명, 차세대 스핀트로닉스 소자개발에 새로운 지평선이 열릴 것으로 기대된다"고 밝혔다.


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