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할 하나였다. 물었다. 맘에 무시하고 그렇게 건물이전자 스핀을 나타낸 그림. MikeRun/wiki



[서울경제]
정명화 서강대 물리학과 교수 연구팀은 올해 1월 세계 최초로 ‘양자역학적 스핀 펌핑’ 현상을 발견한 연구성과를 국제 학술지 ‘네이처’에 발표했습니다. 이는 인공지능(AI) 전력 문제를 해소할 차세대 반도체 기술로 꼽히는 ‘스핀트로닉스’ 연구에 기여할 것으로 기대됩니다.

스핀트로닉스의 핵심 원리는 ‘스핀(spin)’입니다. 스핀은 이름 그대로 전자의 회전을 의미합니다. 지구가 태양을 공전하면서 자전도 하는 것처럼 전자도 원자핵을 돌면서 스스로도 회전하리라고 한때는 생각했습니다. 다만 전자는 지구나 공과 달리 우리종합통장 구름처럼 여러 위치에 확률적으로 존재한다고 앞서 설명했죠. 그래서 전자가 회전한다는 말은 이제는 틀린 말이 됐습니다.
그런데도 스핀이라는 개념은 여전히 유효합니다. 전자가 회전한다고, 더 정확히는 스핀이란 성질을 가진다고 여겨야만 설명할 수 있는 현상들이 있기 때문이죠. 자석처럼 N극과 S극을 갖는 성질인 자성(磁性) 내지는 자기 모먼트가 생계자금대출 대표적입니다. 지구가 자전하면서 N극과 S극이 생기는 것처럼 전자도 자성을 가지는데 스핀이라는 것이 그 원인이라는 겁니다.
전자가 스핀을 가지면 자연스럽게 ‘스핀 전류’도 가집니다. 공이 회전하려면 회전 에너지가 필요하듯 전자도 스핀을 가지려면 ‘스핀 에너지’가 필요한데요. 전자가 가진 스핀 에너지가 주변으로 전달되면서 전기가 흐르게 되 알아두면 좋은 상식 는데 이 흐름을 스핀 전류라고 합니다. 일반적으로 우리가 아는 전류를 전선에 전압을 걸어 전자가 직접 움직이도록 하는 ‘전하 전류’입니다. 스핀 전류는 전하 전류와 별개입니다.
스핀 전류는 전자가 직접 이동하는 게 아니라 스핀 에너지라는 에너지를 주변에 전달하는 것이기 때문에 원자핵이나 불순물과 충돌하지 않습니다. 기존 전하 전류는 전자가 퇴직금 중간정산 움직이다가 주변과 부딪치면서 에너지를 일고 열을 발생시키는 문제가 있습니다. 이것이 전력 효율을 낮추고 발열을 생기게 하는 원인이죠. 이와 비교해 스핀 전류가 전력과 냉각 효율이 높을 것으로 기대받는 배경입니다. 스핀 전류로 반도체 집적회로(IC·칩)를 작동시키는 기술이나 연구분야를 기존 일렉트로닉스(전자공학)과 구분해 스핀트로닉스라고 부릅니다.
주택거래활성화스핀트로닉스는 다만 스핀 전류를 원하는대로 얻기 어렵다는 한계가 있습니다. 전하 전류에 비해 스핀 전류는 매우 약합니다. 게다가 전자 자체가 너무 작아서 양자역학적으로 빛이나 자기장 같은 외부 영향을 받으면 쉽게 성질이 왜곡된다고 했죠. 스핀 역시 그 성질 중 하나입니다. 스핀 전류를 제어하는 시도 자체가 전자에 취약한 영향을 가하게 돼 결국 뜻대로 제어할 수 없는 것이죠.
연구팀은 ‘양자역학적 스핀 펌핑’이라는 현상에서 답을 찾았습니다. 철과 귀금속 로듐을 합친 ‘철·로듐’은 저온에서는 자성이 없는 반자성 상태였다가 온도를 올려 고온이 되면 강한 자성을 갖는 강자성 상태로 바뀌는 특징이 있습니다. 공이 시계나 반시계 방향으로 회전할 수 있듯 전자의 스핀도 두 가지 방향이 가능한데 저온에서는 철·로듐 속 전자들이 두 가지 스핀 방향을 골고루 가져 전체적으로 스핀과 이로 인한 자성이 상쇄되는 겁니다. 그러다가 고온이 되면 전자들의 스핀이 한 방향으로 정렬돼 전체적으로 강한 스핀과 자성이 생깁니다.
연구팀은 이 같은 변화의 중간 지점, 즉 저온과 고온의 중간인 상온에서 스핀 크기가 급격하게 커지고 이 결과 강한 스핀 전류가 생기는 새로운 현상을 발견했습니다. 기존 방법보다 10배 더 큰 스핀 전류를 얻을 수 있다는 게 연구팀의 설명입니다. 게다가 양자컴퓨터처럼 기존 양자역학 응용 사례와 다르게 극저온이 아닌 상온에서 일어나는 현상이라는 사실에도 의미가 있습니다. 극저온으로 낮출 필요없이 상온에서도 쉽게 스핀 전류를 얻고 이것으로 스핀트로닉스 반도체를 작동시킬 가능성이 생겼으니까요.

연구팀은 스핀트로닉스 전력 효율을 상용화 수준으로 더 높이기 위해 후속 연구를 준비 중입니다. 정 교수는 이 공로로 6일 과학기술정보통신부가 주최하고 한국연구재단과 서울경제신문이 공동 주관하는 ‘이달의 과학기술인상’ 8월 수상자로 선정됐습니다. 김윤수 기자 sookim@sedaily.com