물리학과

손대칭성 물질을 통과한 전자의 스핀이 한쪽 방향으로 정렬되는 현상은 차세대 스핀트로닉스 기술의 토대가 되지만, 이 현상의 구체적 과정은 미궁이었다. 국제 공동 연구진이 전자의 스핀 분포를 실공간에서 관찰하는 실험을 통해 이 문제에 해답을 제시했다.

UNIST 물리학과 남궁선·박노정 교수팀은 미국 펜실베이니아주립대 빙하이옌 교수팀과 함께 손대칭성 물질이 전자의 스핀 방향 자체를 바꾼다는 사실을 입증했다고 7일 밝혔다. 손대칭성 물질이 특정 방향의 스핀을 걸러내는 수동적인 역할을 한다는 가설이 주를 이뤘는데, 이를 뒤집는 연구 결과다.

손대칭성(키랄성)은 왼손과 오른손처럼 얼핏 보면 모양이 같게 생겼지만, 절대로 포개질 수 없는 구조를 말한다. 우리 몸의 DNA나 용수철도 꼬인 방향에 따른 손대칭성이 있다. 이런 나선형 손대칭성 물질에 전류를 흘리면 특정 방향의 스핀을 가진 전자만 통과하는 현상이 나타나는데, 이는 차세대 스핀트로닉스 소자를 만들 수 있는 원리이다.

하지만 이 현상이 어떻게 나타나는지를 두고는 학계 해석이 엇갈려 왔다. 손대칭성 물질이 원하지 않는 스핀은 튕겨내고 맞는 스핀만 통과시킨다는 ‘스핀 필터’ 가설과 전자의 스핀 방향을 물질의 구조에 맞춰 변화시킨다는 ‘스핀 편극자’ 가설이 맞서 온 것이다.

연구팀은 원자들이 나선형으로 꼬여있는 무기물인 텔루륨 나노선을 이용해 이를 실험적으로 규명했다. 텔루륨 나노선에 그래핀 전극을 연결해 전류를 흘린 뒤, 이를 특수 현미경으로 관찰한 실험이다.

관측 결과, 나노선과 전극에서 나타난 스핀의 방향(부호)이 서로 같다는 사실이 확인됐는데, 이는 기존에 유력했던 ‘스핀 필터’ 가설과는 배치되며 ‘스핀 편극자’가설에 더 힘을 실어주는 결과다. 손대칭성 물질이 필터 역할을 한다면, 걸러진 스핀과 통과한 스핀의 부호가 서로 다르게 나타나야 하기 때문이다.

또 연구팀은 이 같은 현상을 이론계산으로도 확인했다. 박노정 교수팀은 손대칭성 물질을 통과하는 전자가 손대칭성 물질을 따라 돌아가며 궤도 각운동량을 가지게 되고, 이 궤도 각운동량에 따라 스핀 방향이 결정되는 과정을 밀도범함수이론 계산을 통해 밝혀냈다.

남궁선 교수는 “오랫동안 논쟁 대상이 되었던 손대칭성 물질 내 스핀의 거동을 명확히 시각화하여 증명해낸 연구”라며 “향후 손대칭성 물질을 기반으로 한 스핀트로닉스 소자와 양자 소자 설계에 단서가 될 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 기초연구실 사업 및 중견연구 사업의 지원으로 수행됐으며, 국제학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’에 지난달 23일 출판됐다.