국내 연구진, 세계 최초로 상온 양자역학 현상 발견

국내 연구진, 세계 최초로 상온 양자역학 현상 발견

2025.01.30 과학기술정보통신부

국내 연구진, 세계 최초로 상온 양자역학 현상 발견

- KAIST 이경진·김갑진 교수와 서강대 정명화 교수 공동 연구팀, 양자역학적 스핀 펌핑 현상 관측으로 기존 양자 기술 한계 극복의 실마리 찾아

 

과학기술정보통신부(장관 유상임, 이하 ‘과기정통부’)는 KAIST 이경진·김갑진 교수와 서강대학교 정명화 교수 공동연구팀이 세계 최초로 상온에서 양자역학적 스핀 펌핑 현상을 발견했다고 밝혔다.

 

과기정통부 기초연구사업(중견연구, 기초연구실) 등의 지원으로 수행한 이번 연구 성과는 국제학술지「네이처(Nature)」에 1월 30일(현지시간 1.29.(수) 16시, GMT) 게재*되었다.

 

* 논문명 : Signatures of longitudinal spin pumping in a magnetic phase transition

 

전자는 전기적인 성질인 전하와 자기적인 성질인 스핀*(spin)을 동시에 가지고 있다. 물질 내에서 전자가 이동하는 현상인 전류는 전하가 이동하여 발생하는 전하 전류와 스핀의 이동으로 발생하는 스핀 전류로 나누어진다.

 

* 전자 스핀(스핀 각 운동량) : 전자의 자발적인 양자 각운동량

 

우리가 사용하는 대부분의 전자기기는 전하 전류로 작동한다. 하지만 전류가 흐를 때 전자가 물질 내부의 원자와 충돌하기 때문에 필연적으로 열이 발생하고, 이는 에너지 소모량 증가와 효율 저하로 이어진다는 문제점이 있다.

 

이를 극복하기 위해 전 세계의 많은 연구자는 전하 전류가 아닌 스핀 전류를 이용해 전자 소자를 만드는 연구를 진행하고 있으며, 이를 ‘스핀트로닉스(spintronics)’라고 한다.

 

스핀트로닉스 기술 구현의 핵심은 스핀 전류를 생성하는 것으로, 스핀 전류 생성의 여러 방법 중 하나는 스핀 펌핑(spin pumping)이다.

 

스핀 펌핑은 자성체와 비자성체를 접합했을 때, 스핀이 세차운동*에 의해 자성체에서 비자성체로 이동하는 현상을 말하는데 고전역학으로 생성되는 스핀 전류는 크기가 작아 실제 전자 소자에는 활용이 제한되어왔다.

 

*세차운동: 팽이를 회전시키면 회전축이 기울어지면서 빙빙 도는 운동

 

정명화 교수팀은 지난 ’19년 자성박막에서의 스핀 상호작용에 대한 연구 결과를 발표하였고, 이는 재료 분야 저명 학술지(Nature Materials*)에 실린 바 있다. 이후 관련 분야에서 연구를 지속적으로 수행하였으며, 자성박막 제작에 대한 연구 노하우를 점차 쌓아왔다.

 

* 논문명 : Long-range chiral exchange interaction in synthetic antiferromagnets

 

이러한 연구 노하우를 바탕으로 정명화 교수 연구팀은 고품질의 철(Fe)-로듐(Rh) 자성박막을 제작하는 데 성공하였고, 김갑진 교수 연구팀과 함께 자성박막의 독특한 특성을 활용하여 큰 스핀 전류를 관측하였다. 또한, 이를 이경진 교수 연구팀이 양자역학적 이론으로 해석하고 추가적인 실험으로 증명하게 되었다.

 

특히, 대부분의 양자역학적 현상은 극저온에서만 관측되는 것과 달리, 이번 연구는 상온에서 양자역학적 스핀 펌핑 현상을 관측했다는 점에서 큰 의미가 있고, 기존 고전역학적 방식에 비해 10배 이상의 스핀 전류를 생성하는 방법을 제시한 것이어서 차세대 전자 소자 개발에 기여할 것으로 기대된다.

 

아울러, 이번 연구 성과는 기초연구를 수행하는 연구팀들이 공동연구를 통해, 스핀의 정적인 상태에 대한 연구를 넘어, 자기적 상태가 변화하는 동적인 스핀 상태에 대한 연구로 확장하여 세계 최고의 성과를 창출하게 된 데도 큰 의미가 있다.

 

연구를 이끈 공동 연구팀은 “기존 스핀트로닉스 연구는 고전적인 스핀 운동을 이용해 온 반면, 이번 연구는 스핀의 양자적인 특성을 활용하여, 응용 측면에서도 더 효과적이라는 점을 증명한 것에 의의가 있다”고 밝혔다.

 

주요내용 설명

<작성 : 이경진 교수(KAIST), 김갑진 교수(KAIST), 정명화 교수(서강대) >

논문명	Signatures of longitudinal spin pumping in a magnetic phase transition
저널명	Nature
키워드	spin pumping (스핀 펌핑), spin current (스핀 전류), magnetic phase transition (자기 상전이), Spintronics (스핀트로닉스)
DOI	https://doi.org/10.1038/s41586-024-08367-z (1월 29일 게재 예정, online at 4pm [UK시간], 2월 6일 정식 게재 예정)
저 자	이경진 교수(공동 교신저자/KAIST), 김갑진 교수(공동 교신저자/KAIST), 정명화 교수 (공동 교신저자/서강대), 이택현 박사(공동 제1저자/KAIST), 박민태 박사(공동 제1저자/서강대), 고혜원 연구원(공동 제1저자/KAIST) 오정현 박사(공동저자/KAIST), 고산 연구원(공동저자/KAIST), 황성문 연구원(공동저자/KAIST), 장재광 연구원(공동저자/KAIST), 백건우 연구원(공동저자/KAIST), 김세권 교수(공동저자/KAIST), 이현우 교수(공동저자/포항공대)

 

1. 연구의 필요성

○ 전자기기를 사용할 때 열이 발생하는 이유는 전류가 흐를 때 전자(electron)가 물질 내부의 원자들과 충돌하기 때문이다. 이로 인해 발생한는 열을 줄열(Joule heat)이라고 하며, 이는 에너지 소모량 증가와 소자 효율 감소의 원인이 된다.

○ 이러한 한계를 극복하기 위해 전자의 전하(charge) 대신 스핀(spin)을 활용하려는 시도가 이어지고 있으며, 이를 스핀트로닉스(spintronics) 기술이라고 한다. 스핀트로닉스는 전하 전류가 아닌 스핀 전류를 활용함으로써 소자에서 열 발생을 줄일 수 있어, 차세대 전자소자로 주목받고 있다.

○ 스핀트로닉스 기술의 핵심 질문은 ‘스핀 전류(spin current)를 어떻게 생성할 것인가?‘이다. 이 질문에 대한 주요 해답 중 하나로 제시된 것이 스핀 펌핑(spin pumping)이다. 스핀 펌핑은 자성체와 비자성체를 접합했을 때, 자성체에서 스핀이 비자성체로 펌핑되는 현상을 의미한다. 그러나 기존 스핀 펌핑은 자화의 고전역학적인 세차운동을 기반으로 하여 그 효율이 제한적이었다.

 

2. 연구내용

○ 이경진, 김갑진, 정명화 교수 공동연구팀은 기존의 고전역학적인 스핀 펌핑 메커니즘을 넘어, 양자역학적인 스핀 펌핑 현상을 예측하고 이를 세계 최초로 실험적으로 입증하였다.

○ 고전역학적 스핀 펌핑은 자석 내부 자화의 세차운동에 의해 발생하며, 자화의 크기가 고정된 상태에서 방향만 변화하는 방식으로 스핀 전류를 생성한다. 반면, 양자역학적인 스핀 펌핑은 자화 방향이 고정된 상태에서 자화의 크기가 변할 때 발생하며, 이 경우 생성되는 스핀 전류가 기존 고전역학적인 세차운동에 비해 매우 클 것으로 본 연구진은 예측하였다.

○ 이를 입증하기 위하여 연구팀은 철(Fe)과 로듐(Rh)의 합금인 FeRh을 활용하였다. FeRh은 온도를 증가시키면 자기상변화(magnetic phase transition)를 일으키는데, 상온에서는 반강자성체(antiferromagnet)였다가 약 100도에서 강자성체(ferromagnet)으로 변한다. 이 상전이 과정에서 양자역학적인 교환상호작용의 급격한 변화로 인해 Rh의 자화 크기가 크게 변하며, 이로 인해 양자역학적인 스핀 펌핑이 발생하게 된다.

○ 연구를 위해 정명화 교수 연구팀은 증착 조건을 최적화하여 고품질 FeRh을 합성하였다. 김갑진 교수 연구팀은 FeRh의 상전이 순간 스핀 전류를 실시간으로 측정할 수 있는 기술을 개발하여 상전이에 의한 스핀 펌핑을 관측하였다. 이경진 교수 연구팀은 이를 이론적으로 분석하여 실험 결과가 양자역학적인 스핀 펌핑 현상임을 확인하였다.

 

 

3. 기대효과 및 의의

○ 기존 스핀트로닉스 연구는 주로 자화 운동을 고전역학적으로 해석해왔다. 그러나 본 연구는 고전역학을 넘어선 양자역학적 해석이 필수적임을 증명함으로써, 스핀트로닉스 연구 전반에 새로운 패러다임을 제시하였다. 특히 양자역학적인 스핀 펌핑은 자성체 내에서 크기가 변화하는 스핀과 이에 의해 펌핑되는 스핀이 서로 얽혀(entangled) 있음을 나타낸다. 이는 스핀트로닉스 기술이 단순한 전자소자 응용을 넘어 양자기술의 핵심 기반으로 자리 잡을 수 있음을 보여주는 중요한 발견이다.

○ 본 연구에서 관측한 양자역학적 스핀 펌핑은 기존 고전역학적 스핀 펌핑 대비 최소 10배 이상의 효율을 보여주었다. 이는 고효율 양자 스핀 소자의 가능성을 제시한 것으로, 기존 기술의 한계를 극복할 수 있는 새로운 접근법을 제시하였다고 볼 수 있다.

○ 본 연구 결과는 스핀트로닉스 기술이 양자기술로서 중요한 역할을 할 수 있음을 의미하며, 스핀트로닉스 연구에 활력을 불어넣을 것으로 기대된다. 더 나아가, 본 연구에서 제시한 양자역학적 관점은 스핀트로닉스뿐만 아니라 양자 소자 개발을 목표로 하는 다양한 분야의 혁신을 촉진할 것으로 전망된다.

 

그림 설명

(그림1) 고전역학적 스핀 펌핑(a)과 양자역학적 스핀펌핑(b) 개략도

스핀 펌핑이란 자성체(FM, 파란색)와 비자성체(NM, 회색)를 접합시켰을 때 발생하게 된다. (a)에서 표현한 고전역학적 스핀 펌핑은 자화(m(t), 분홍색 화살표)의 크기가 유지된 상태에서 세차운동으로 인해 비자성체로 스핀이 빠져나가는 반면에, (b)에서 표현한 양자역학적 스핀 펌핑은 자화(m(t), 분홍색 화살표)의 크기가 변하면서 비자성체로 스핀이 빠져나가는 것을 의미한다.

그림설명 및 그림제공 : 이경진 교수(KAIST), 김갑진 교수(KAIST), 정명화 교수(서강대)

 

 

(그림2) 철(Fe)과 로듐(Rh)의 합금인 FeRh에서 발생하는 양자적 스핀 펌핑

FeRh은 온도를 올리면 자기적인 성질이 바뀌는 상변화가 일어난다. 상온에서는 반강자성체(antiferromagnet)로서 Fe 원자들(mFe)의 자화가 이웃한 자화와 반대로 정렬되고, Rh의 경우(mRh) 자화를 가지지 않는다. 그러나 온도를 올리면, Rh 원자들이 유한한 자화를 갖게 되면서 Fe와 Rh의 자화가 모두 같은 방향으로 정렬되어, 강자성체(ferromagnet)가 된다. 이러한 자기 상전이가 발생하는 순간 FeRh에서 스핀 전류가 생성되며, 이 스핀은 이웃한 비자성체(여기서는 백금, Pt)로 펌핑된다.

그림설명 및 그림제공 : 이경진 교수(KAIST), 김갑진 교수(KAIST), 정명화 교수(서강대)

 

연구 이야기

<작성 : 이경진, 김갑진, 정명화 교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

정명화 교수 연구팀이 FeRh 박막을 고품질로 제작하는데 성공했고, 이를 바탕으로 김갑진 교수 연구팀은 FeRh의 독특한 자기 상전이를 활용해 스핀을 만들어낼 수 있을 것이라는 아이디어를 제시했다. 실험을 통해 예상보다 훨씬 큰 스핀전류가 관측되었지만 그 의미를 해석하지 못하던 중, 이경진 교수 연구팀이 양자역학적인 스핀 펌핑 개념을 제안하고, 이를 추가적인 실험과 이론으로 증명함으로써 본 연구가 완성되었다. 이 연구는 재료-측정-이론 각 분야의 전문성이 결합된 공동연구의 모범 사례라고 할 수 있다.

 

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

상전이 순간에 발생하는 스핀을 측정하기 위해서는 나노초(10-9초) 수준의 짧은 시간 동안 매우 작은 신호를 정밀하게 포착할 수 있는 기술이 필요하다. 또한, 신호가 작기 때문에 오랜 시간 반복적인 측정을 통해 데이터를 축적해야 하며, 이에 따른 끈기와 노력이 요구된다. 공동 제1저자인 이택현 박사는 실시간 스핀 측정법을 스스로 제안하고 이를 구현했으며, 끈기 있는 측정을 통해 양자역학적인 스핀 펌핑 현상을 실증하였다. 초기 제작된 FeRh 자성박막에서 스핀 펌핑 현상을 관측했지만, 재현성이 높은 고품질의 박막을 지속적으로 만들어내는 것은 큰 도전이었다. 특히, 비자성막(Pt)과의 계면 및 두께에 따른 의존성이 매우 켰기 때문에, 재현성 있는 결과를 얻기 위해 최적화된 시료의 제작이 필수적이었다. 공동 제1저자인 박민태 박사는 남다른 열정과 헌신적인 노력으로 최적화된 고품질 시료를 확보하는데 성공하였다. 실험 결과가 기존 이론으로 설명되지 않아 새로운 이론적 접근이 필요했고, 이는 스핀트로닉스뿐만 아니라 양자 기술 전반에 대한 깊은 이해를 요구했다. 공동 제1저자인 고혜원 학생은 깊은 이론적인 지식을 바탕으로 이론적 해석에 크게 기여하여, 실험 결과의 의미를 해석하는데 중요한 역할을 했다.

 

 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존 스핀트로닉스 연구가 자화 운동을 고전역학적인 관점에서 해석해왔던 것과 달리, 본 연구는 스핀트로닉스에서 양자역학적인 접근이 필수적임을 증명하였다. 이는 스핀트로닉스 기술이 단순한 전자소자 응용을 넘어 양자 기술의 핵심적인 기반이 될 수 있음을 보여주는 중요한 의미를 가진다.

 

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

이번 연구 결과를 바탕으로 스핀트로닉스 기술을 활용하여 기존 양자 기술의 한계를 극복할 수 있는 돌파구를 마련해 보고 싶다.

 

연구자 소개

 

<이경진, 공동 교신저자>

 

1. 인적사항

○ 소 속 : KAIST 물리학과

○ 전 화 : 042-350-7923

 

2. 학력

○ 1994 KAIST 학사 (물리학)

○ 2000 KAIST 박사 (재료공학)

 

3. 경력사항

○ 2000 ~ 2005 삼성종합기술원 선임연구원

○ 2005 ~ 2020 고려대학교 신소재공학과 조/부/정교수

○ 2020 ~ 현재 KAIST 물리학과 정교수/석좌교수

○ 2019 송곡과학기술상(한국과학기술연구원)

○ 2020 혜슬과학상(한국자기학회)

○ 2022 미국물리학회 석학회원(APS Fellow)

○ 2023 과학기술포장(교육과학기술부)

 

4. 전문분야 정보

○ 고체물리학 이론(스핀트로닉스, 자성물리)

 

5. 연구지원 정보

○ 2022 ~ 현재 과학기술정보통신부‧한국연구재단 나노 및 소재기술

○ 2020 ~ 현재 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구사업(중견연구)

○ 2022 ~ 현재 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구실

○ 2019 ~ 2022 삼성미래기술육성센터

 

연구자 소개

 

<김갑진, 공동 교신저자>

 

1. 인적사항

○ 소 속 : KAIST 물리학과

○ 전 화 : 042-350-2548

 

2. 학력

○ 2004 서울대학교 학사 (물리교육)

○ 2011 서울대학교 박사 (물리학)

○ 2011 ~ 2013 교토대학교 화학연구소 박사후연구원

 

3. 경력사항

○ 2013 ~ 2016 포교토대학교 화학연구소 조교수

○ 2017 ~ 현재 KAIST 물리학과 조/부교수

 

4. 전문분야 정보

○ 고체물리학 실험(스핀트로닉스)

 

5. 연구지원 정보

○ 2023 ~ 현재 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구사업(중견연구)

 

 

 

 

 

 

 

연구자 소개

 

<정명화, 공동 교신저자>

 

1. 인적사항

○ 소 속 : 서강대 물리학과

○ 전 화 : 02-705-8828

 

2. 학력

○ 1995 성균관대학교 학사 (물리학)

○ 1997 성균관대학교 석사 (물리학)

○ 2000 일본 히로시마대학교 박사 (물성물리학)

○ 2000 ~ 2002 미국 로스알라모스국립연구소 박사후연구원

 

3. 경력사항

○ 2008 ~ 현재 서강대학교 물리학과 조/부/정교수

○ 2019 ~ 현재 일본 오사카대학교 특임교수

○ 2002 ~ 2008 한국기초과학지원연구원 선임연구원

○ 2021 학술상(한국물리학회)

○ 2020 국가연구개발 우수성과 100선(과학기술정보통신부)

○ 2019 올해를 빛낸 기초연구자상(과학기술정보통신부)

○ 2018 혜슬과학상(한국자기학회)

 

4. 전문분야 정보

○ 고체물리학 실험(자성체, 위상물질)

 

5. 연구지원 정보

○ 2020 ~ 현재 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구사업(중견연구)

○ 2022 ~ 현재 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구실

 

<이택현, 공동 제1저자>

 

1. 인적사항

○ 소 속 : KAIST 물리학과

 

 

2. 학력

○ 2017 고려대학교 학사 (물리학)

○ 2017 ~ 2023 KAIST 박사 (물리학)

 

3. 경력사항

○ 2023 ~ 2024 KAIST 박사후 연구원

○ 2024 ~ 현재 세나클 소프트웨어 연구원

 

4. 전문분야 정보

○ 고체물리학 실험(스핀트로닉스)

 

<박민태, 공동 제1저자>

 

1. 인적사항

○ 소 속 : 서강대 물리학과

 

 

2. 학력

○ 2019 서강대학교 학사 (물리학)

○ 2019 ~ 2021 서강대학교 석사 (물리학)

○ 2021 ~ 2024 서강대학교 박사 (물리학)

 

3. 경력사항

○ 2024 ~ 현재 삼성전자 라운드리사업부 연구원

 

4. 전문분야 정보

○ 고체물리학 실험(자성박막)