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부도체 물질에 진동을 유발해 자기장을 발생시키는 방법을 찾아냈다. 적외선을 쏘아, 원자를 춤추게 만들어서, 전자의 ‘스핀(spin)’*을 정돈하는 게 핵심이다. 전자의 자기적 성질을 전자공학에 이용하는 ‘스핀트로닉스(spintronics)’에 기여할 전망이다. UNIST(총장 정무영) 자연과학부의 박노정 교수팀은 자기적 성질을 띠지 않는 물질로부터 자기장을 발생시키고 자석으로 만드는 방법을 최신 계산방법으로 증명했다. 적외선으로 ‘포논(phonon)’을** 생성해 전자의 움직임에 영향을 주는 방식이다. 포논은 고체 속을 흐르는 진동(소리)의 입자로, 포논이 생기면 원자가 춤추듯 진동한다. |
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*스핀(spin): 원자 속 전자가 스스로 회전하는 것을 말한다. 스핀은 자기장을 만들어 어떤 물질에 자기적 성질을 부여할 씨앗이 된다. **포논(phonon): 양자역학에 따르면 빛은 파동인 동시에 입자다. 이런 의미를 담은 용어는 ‘광자(photon)’이다. 고체 속을 흐르는 진동과 소리도 파동이면서 입자다. 고체를 구성하는 원자들이 흔들릴 때 ‘포논’이라는 양자화된 입자가 전파되는데, 이때 진동이나 소리가 전해진다. |
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박노정 교수는 “모든 물질은 스핀이라는 ‘자석의 씨앗’을 가지며, 스핀 방향을 나란히 정렬하면 자성을 띠게 할 수 있다”며 “자기장이나 빛으로 직접 스핀을 조절하는 연구도 있었지만, 이번 연구에서는 원자를 춤추게 하는 간접적인 방법으로 전자의 스핀 방향을 정렬시킬 수 있음을 증명했다”고 밝혔다. 철을 자석으로 만들려면 강한 자석을 가까이 붙이면 된다. 이때 생성된 자기장이 전자의 스핀 방향을 나란하게 정렬시키기 때문이다. 물리학적 관점에서는 자기장이 존재하면 물질계의 ‘시간 대칭’을 깨트려서 전자의 스핀을 한 방향으로 정돈하는 것이라고 볼 수 있다. 박 교수는 “야구공이 날아가는 장면을 촬영한 비디오가 있다면, 그것을 거꾸로 돌려도 이상하게 느낄 사람이 아무도 없을 것이다”며 “이것은 야구공의 운동이 시간대칭성이 있기 때문이다”라고 시간대칭성의 예를 들었다. 그는 이어 “그러나 자기장이 있는 공간에서는 시간대칭성이 없어서, 전자의 움직임을 촬영한 비디오를 거꾸로 돌린다면 존재할 수 없는 궤적이 나오게 된다”며 “이러한 시간대칭성이 깨진 상황 중의 하나가 스핀들이 한 방향으로 정돈되는 것, 즉 자석이 되는 것”이라고 설명했다. 연구진은 이차원 반도체 물질인 ‘몰리브덴황(MoS₂)’을 자석으로 만드는 데 적외선을 적용했다. 적외선의 영향으로 ‘황 원자는 한 방향으로 회전운동’을 하게 되고, 그 결과 시간 대칭이 깨진다. 이는 결국 전자의 스핀 방향을 정렬시켜 몰리브덴황이 자성을 띠게 만든다. 다시 말해, 한 방향으로 회전하는 원자가 자기장과 같은 역할을 하게 되는 것이다. 이번 연구로 적외선처럼 에너지가 낮은 파장의 빛으로 전자의 스핀을 조절할 가능성이 입증됐다. 이는 전자의 스핀 방향만 조절해 신호로 이용하는 전자공학, 스핀트로닉스의 기반이 될 수 있다. 박 교수는 “전자의 스핀으로 신호를 만들면, 전자를 직접 이동시키는 것보다 연산속도가 빠르고 저장용량이 크며 에너지 소비도 적은 전자소자를 만들 수 있다”며 “이번 연구가 스핀트로닉스를 구현하는 물리학적인 기반이 될 것으로 기대한다”고 전했다. 한편 이번 연구는 독일의 막스플랑크연구소와 공동으로 진행했다. 진호섭 UNIST 자연과학부 교수와 신동빈 UNIST 물리학과 대학원생도 참여했다. 연구결과는 ‘네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)’ 2월 12일자 온라인판에 게재됐다. (끝)
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[붙임] 연구결과 개요 |
1. 연구배경반도체 물질에서 전하의 스핀 조절은 지난 수십년 동안 응집물질 연구에 주요 관심 주제다. 최근 전자의 스핀 상태를 조절하기 위해 스핀 궤도 결합에 의해 스핀 상태가 편향된 물질들에 대해 광범위한 연구가 진행되고 있다. 특히 전기장을 통한 물질의 스핀 상태 변화뿐 아니라, 빛을 이용한 스핀 상태 조절 연구가 최근 활발하다. 예를 들어 이차원 물질인 ‘전이금속 다이칼코제나이드’에서 편광을 통한 특정 스핀 상태의 홀 전류 생성에 대한 연구는 새로운 정보전달 기술로 많은 관심을 받고 있다. 2. 연구내용본 연구는 전이금속 다이칼코제나이드 물질인 단층 몰리브덴황(MoS₂) 물질의 전도띠 바닥의 스핀 상태가 특정 격자 떨림(Phonon) 상태와 결부돼 있음을 최신 계산 방법인 시간의존밀도범함수 방법을 통해 밝혀냈다. 또한 격자 떨림의 영향을 모형 해밀톤 역학(Hamiltonian)으로 나타내고, 격자떨림에 의한 스핀 변화에 대해 수학적으로 증명했다. 격자 떨림과 같이 시간 주기적인 영향에 의한 전자 상태는 플로케(Floquet) 정리를 통해 나타낼 수 있는데, 특정 격자 떨림에 의한 단층 몰리브덴황(MoS₂)의 전도띠 바닥의 스핀 상태 변화가 두 개의 라모어 세차 운동을 하고 있는 플로케(Floquet) 기저 벡터로 표현될 수 있음을 보였다. 특히 원편향된 격자떨림 상태가 물질의 시간 대칭을 깸으로써 물질의 시간 대칭점의 플로케(Floquet) 기저 벡터가 달라짐에 따라 자성이 생김을 밝혀냈다. 3. 기대효과본 연구는 특정 격자 떨림 상태를 이용하여 반자성물질에서 자성 물질로 변화시킬 수 있는 새로운 방법을 제시했다. 원편향된 적외선으로 특정 격자 떨림을 유도할 수 있기 때문에, 적외선을 이용한 휘발성 메모리 개발에 기여할 것으로 보인다. |
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[붙임] 연구내용 추가설명 |
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매일 우리는 물질들의 다양한 물리적 특성들을 경험하고 사용한다. 미시적으로는 물질들은 전자와 원자로 구성돼 있으며 그들이 나타내는 특성들은 대부분 전자 배열의 양자적 효과로 나타난다. 원자의 내부구조는 양성자와 중성자로 이뤄지지만, 대부분의 물질들의 특성은 원자의 양자적 효과로부터 나타나지 않는다. 한 가지 예외가 있다면 그것은 원자의 움직임이다. 격자 떨림(Phonon)이라고 불리는 양자화된 원자들의 움직임은 전자 이동과 스핀을 변화시키는 물질의 특성을 결정하는 중요한 요소이다. 최근 연구자들은 전자기기를 크기를 최소화시키기 위해 물질의 기본 구조와 특성 연구에 집중해 왔다. 대표적인 예가 탄소 원자 한 층으로 이뤄진 그래핀(graphene)과 단층의 전이금속 다이칼코제나이드 물질이 있다. 이러한 이차원 물질에서의 스핀 정렬을 통한 자성 형성과 스핀과 격자 떨림에 영향은 중요한 문제로 남겨져 있었다. 본 연구팀은 몰리브덴황(MoS₂) 단층을 포함한 전이금속 디칼코제나이트 물질에서 격자 떨림에 의한 스핀 구조 변화에 대해 연구했다. 그 결과 스핀과 오비탈이 강하게 결부된 전자들의 스핀이 자기장을 효과적으로 주는 격자 떨림 모드에 의해 진동한다는 것을 양자역학 계산을 통해 밝혀냈다. 이러한 물질의 특성을 극적으로 변화시키는 격자 떨림의 효과는 격자의 대칭 깨짐이라고 불리는 물리학 이론 개념으로 설명할 수 있다. 물질의 대칭에는 공간 대칭뿐 아니라 물리 관측량의 시간 정방향과 역방향에 대한 시간 대칭 개념이 있다. 예를 들어 두 개의 당구공이 충돌하는 비디오를 볼 때 재생하거나 역재생해도 충돌장면을 볼 수 있을 것이다. 하지만 자기장이 주어진 공간처럼 시간 대칭이 깨진 상황에서 전자의 움직임은 시간의 흐름이 정방향일 때와 역방향일 때 대칭하지 않는다. 그동안 많은 연구자들은 자기장 대신 편향된 빛을 통해 물질의 시간 대칭을 제거하는 연구를 수행헸다. 본 연구에서는 편향된 빛 대신에 편향된 격자 떨림 또한 물질의 시간 대칭을 깰 수 있다는 걸 밝혀냈다. 따라서 본 연구 결과는 이차원 물질의 자성 조절에 새로운 방법을 제시함으로써 스핀트로닉스 연구에 큰 기여를 할 것으로 보인다. |
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[붙임] 그림 설명 |
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그림1. 왼쪽 그림은 단층 몰리브덴황(MoS2 )이며, 황 원자(연두색)와 몰리브덴(보라색) 원자가 결합된 구조를 하고 있다. 적외선 편광을 쪼아서 황 원자에 격자 떨림(Phonon)을 조절하면, 가운데 그림처럼 전도띠 바닥에 있는 몰리브덴 전자에 일정한 방향으로 스핀(spin)이 생긴다. 이때 몰리브덴황이 자기적인 성질을 가지게 된다. |
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