국내 연구진, 세계 최초 상온 양자역학 현상 발견, KAIST 이경진·김갑진 교수팀, 서강대 정명화 교수팀 공동연구

국내 연구진이 세계 최초로 상온에서 '스핀 펌핑(spin pumping)' 현상을 발견했다는 소식입니다. 이 연구는 기존의 양자역학적 현상이 대부분 극저온에서만 관측된다는 한계를 뛰어넘어, 실온에서도 스핀 펌핑 현상을 관측했다는 점에서 큰 의미가 있습니다. 과학기술정보통신부는 KAIST의 이경진 교수, 김갑진 교수 그리고 서강대학교 정명화 교수 연구팀이 공동으로 연구를 진행한 결과, 상온에서도 스핀 펌핑이 가능하다는 사실을 밝혀냈다고 30일 발표했습니다. 연구 성과는 세계적인 학술지인 '네이처(Nature)'에 29일(현지 시각) 게재되었습니다.

 

 

일반적으로 물질 내에서 전자가 이동하면서 발생하는 전류는 크게 두 가지로 나뉩니다. 우리가 흔히 알고 있는 전류는 전자의 전하(charge)가 이동하면서 발생하는 '전하 전류(charge current)'입니다. 하지만 전자의 자기적 성질인 '스핀(spin)'이 이동하면서 발생하는 '스핀 전류(spin current)'도 존재합니다. 현재 대부분의 전자기기는 전하 전류를 기반으로 작동합니다. 그러나 전류가 흐를 때 전자가 물질 내부의 원자와 충돌하면서 열이 발생하는 문제가 있습니다. 이로 인해 에너지가 낭비되고 소자의 효율이 떨어지게 되죠.

 

이러한 문제를 해결하기 위한 방법으로 주목받고 있는 것이 바로 '스핀트로닉스(spintronics)'입니다. 스핀트로닉스는 전하 전류가 아닌 스핀 전류를 활용하여 전자 소자를 구동하는 기술인데요. 전자기기에서 발생하는 열 문제를 줄이고 에너지 효율을 높이는 혁신적인 방식으로 평가받고 있습니다.

 

스핀트로닉스 기술의 핵심은 스핀 전류를 얼마나 효율적으로 생성하느냐에 달려 있습니다. 그중 하나의 방법이 바로 '스핀 펌핑(spin pumping)'입니다. 기존에는 스핀 펌핑이 고전역학적 방식으로만 이해되어 왔지만, 이번 연구에서 연구팀은 양자역학적 스핀 펌핑 현상을 이론적으로 예측하고 이를 실험적으로 입증하는 데 성공했습니다. 특히 기존 방식보다 10배 이상의 스핀 전류를 생성하는 방법을 제시함으로써, 차세대 전자 소자 개발에 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다.

 

그렇다면 이번 연구가 왜 그렇게 중요한 걸까요? 먼저, 기존의 스핀 펌핑 방식은 고전역학적인 원리에 의존했기 때문에 생성되는 스핀 전류의 양이 제한적이었습니다. 하지만 연구팀이 입증한 양자역학적 스핀 펌핑 방식은 기존 방식보다 훨씬 더 많은 스핀 전류를 생성할 수 있습니다. 즉, 같은 조건에서도 더 효율적인 스핀 전류를 얻을 수 있게 된 것이죠. 이것은 차세대 전자 소자의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 요소입니다.

 

또한, 이번 연구의 또 다른 중요한 점은 실온에서도 이 현상이 발생했다는 점입니다. 기존의 양자역학적 현상은 대부분 극저온 환경에서만 관측되었기 때문에, 실온에서 양자역학적 현상을 이용하는 것은 매우 어려운 과제였습니다. 하지만 연구팀은 상온에서도 스핀 펌핑이 일어난다는 사실을 실험적으로 입증하면서, 실질적인 응용 가능성을 크게 넓혔습니다. 즉, 이 기술을 활용한 전자기기를 상온에서도 문제없이 사용할 수 있는 가능성이 열린 것입니다.

 

이러한 연구 성과는 미래 반도체, 저장장치, 저전력 전자 소자 개발에 큰 영향을 미칠 것으로 보입니다. 예를 들어, 현재 사용되고 있는 하드디스크(HDD)나 솔리드스테이트드라이브(SSD) 같은 데이터 저장 장치는 전하를 이용한 방식이지만, 스핀 전류를 활용하면 더 빠르고 안정적인 저장 장치를 만들 수 있을 것으로 기대됩니다. 또한, 전력 소모가 적기 때문에 배터리 수명을 늘리는 효과도 기대할 수 있습니다. 이는 스마트폰, 노트북 같은 모바일 기기의 발전에도 긍정적인 영향을 미칠 수 있겠죠.

 

뿐만 아니라, 인공지능(AI)과 빅데이터 기술이 발전하면서 연산 속도와 전력 효율이 중요한 시대가 되었는데요. 기존의 전하 기반 연산 방식은 전력 소모가 많고 발열이 심하다는 단점이 있습니다. 하지만 스핀 전류를 이용한 연산 소자는 이러한 문제를 해결할 수 있는 대안이 될 수 있습니다. 즉, 이번 연구가 앞으로의 컴퓨팅 기술에도 중요한 변화를 가져올 가능성이 크다는 의미입니다.

 

이번 연구 결과는 단순히 물리학적인 발견을 넘어, 실질적인 응용 가능성까지 갖춘 연구라는 점에서 더욱 주목할 만합니다. 연구팀은 앞으로도 스핀트로닉스 기술을 더욱 발전시키기 위한 후속 연구를 진행할 계획이라고 합니다. 특히, 스핀 전류를 보다 효율적으로 제어하는 방법을 연구하여 실제 전자기기에 적용할 수 있도록 하는 것이 목표라고 합니다.

 

결국, 이번 연구는 차세대 전자 소자의 패러다임을 바꿀 수 있는 중요한 연구로 평가받고 있으며, 실용화될 경우 기존의 전자 기기보다 더 빠르고, 더 효율적이며, 에너지 절약적인 기기가 개발될 수 있을 것으로 기대됩니다. 앞으로도 스핀트로닉스 기술이 어떻게 발전해 나갈지, 그리고 실제로 우리 생활 속에서 어떤 변화를 가져올지 지켜보는 것이 흥미로울 것 같습니다.