과학기술정보통신부	보도자료

보도시점	2023. 7. 6.(목) 00:00 (국제 엠바고) (2023. 7. 6.(목) 조간)	배포	2023. 7. 5.(수) 09:00

세계 최초로 전자 궤적을 야구 변화구처럼 제어하는 데 성공

- 전자 궤적 제어를 통해 저전력 메모리 발전가능성 열어(네이처 게재)

과학기술정보통신부(장관 이종호, 이하 ‘과기정통부’)는 성균관대학교 최경민 교수 연구팀과 포항공과대학교 이현우 교수 연구팀이 경금속 내부에서 전자 궤적을 야구 변화구처럼 휘도록 제어하는 것을 세계 최초로 성공했다고 밝혔다.

과기정통부 기초연구사업(중견연구) 지원으로 수행한 이번 연구 성과는 국제학술지「네이처(Nature)」에 7월 6일(현지시간 7.5.(수) 16:00, 영국) 게재*되었다.

* 논문명 : Observation of the orbital Hall effect in a light metal Ti

야구 투수가 빠른 공과 느린 공, 직구와 변화구를 자유자재로 구사하면 승률이 향상되는 것과 같이 고체 내부에서도 전자의 궤적을 자유자재로 조절할 수 있으면 전자소자의 성능이 향상될 수 있다.

고체에서 흐르는 전자의 속도와 전자의 수를 제어하는 방법은 현재도 개발되어 있으나, 전자의 궤적이 휘도록 제어하는 방법은 아직까지도 매우 제한적으로 존재한다.

전류가 흐르고 있는 고체에 자기장을 가하면 전자의 궤적이 휘어지는 ‘홀 효과(Hall effect)’는 널리 알려져 있으나, 자기장을 생성하려면 높은 전류가 필요할 뿐만 아니라 부분적으로 제어하기도 어렵다.

수많은 소자가 집적된 전자기기에 이 방법을 적용하려면 각 소자의 동작에 맞게 서로 다른 방향의 자기장을 가해야 하는데 집적도가 높은 전자기기에서 구현하는 것은 한계가 있다.

이러한 문제점 때문에 자기장을 사용하지 않으면서 나노미터[㎚]단위의  미세한 소자 내부에 존재하는 전자의 궤적을 낮은 전력을 사용해 개별적으로 제어하는 새로운 기술이 필요한 상황이다.

기존에도 스핀 각운동량*(전자 스핀)을 이용하면 전자 궤적을 휘게 만들 수 있다는 것이 ‘스핀 홀 효과’라는 이름으로 보고되었으나, 이 효과는 원자번호가 큰 중금속에서만 발현한다는 한계가 있다.

* 스핀 각 운동량 : 전자의 자발적인 양자 각운동량

이에 연구팀은 타이타늄(원소기호: Ti) 금속에서 전자의 스핀이 아닌 전자가 원자핵 주위를 도는 궤도 각운동량*을 이용하여 전자 궤적을 휘게 만드는 ‘궤도 홀 효과’를 세계 최초로 시현하였다.

* 궤도 각 운동량 : 전자가 원자핵 주변을 공전함으로 발생하는 각운동량

이 연구결과는 그동안 이론적으로만 알려져 있던 ‘궤도 홀 효과’를 중금속이 아닌 원자번호가 작은 경금속에서 실험적으로 최초로 시현했다는 점에서 그 의미가 매우 크다.

현재 사용하는 대부분의 소자들은 전기장으로 인한 전자의 수 변화만 활용하지만, 미래 전자소자로 개발 중인 자성메모리(MRAM)는 전자의 각운동량을 이용하기 때문에 연구팀이 규명한 성질을 활용하면 에너지 효율 및 속도 향상에 기여할 것으로 기대한다.

최경민 교수는 “이번 연구성과는 전자소자에서 전류의 궤적을 제어할 수 있는 근본 원리를 제공한다.”라고 의미를 밝혔다.

담당 부서	기초원천연구정책관	책임자	과 장	윤성훈	(044-202-4530)
	기초연구진흥과	담당자	주무관	허정현	(044-202-4537)
유관 기관	성균관대학교	교신저자	교 수	최경민	(031-299-6279)
	에너지과학과
	포항공과대학교	공동 교신저자	교 수	이현우	(054-279-2092)
	물리학과

논문 정보

□ 논문명

○ Observation of the orbital Hall effect in a light metal Ti / Nature

□ 저자

○ 최경민 교수(교신저자/성균관대학교), 이현우 교수(공동 교신저자/포스텍), 최영관 박사(공동 제1저자/성균관대학교), 조대근 박사과정 (공동 제1저자/포스텍), 고경훈 박사과정 (공동 제1저자/성균관대학교), 고동욱 박사 (공동저자/Forschungszentrum Jülich), 김경한 박사(공동저자/삼성전자), 박희겸 박사과정(공동저자/한국과학기술연구원), 김창영 교수 (공동저자/서울대학교), 민병철 박사(공동저자/한국과학기술연구원)

□ 내용 요약

○ 궤도 홀 효과라는 것은 전자의 궤도 각운동량에 의하여 전자의 궤적이 휘는 현상으로 투수가 던진 공의 회전 때문에 야구공의 궤적이 휘는 현상과 유사하다. 학계에서는 그동안 고체 내부에 있는 전자가 궤도 각운동량을 가지기 힘들 것으로 생각해 왔으나 고체에서 전기장을 걸어주는 간단한 방법으로 고체 내부 전자가 궤도 각운동량을 가지게 만들 수 있다는 것을 이번 연구를 통하여 알게 되었다.

○ 전자의 궤적을 휘게 만들기 위한 과거의 연구는 자기장을 걸거나 원자번호가 큰 중금속에 전기장을 가하는 방법을 사용했는데 자기장을 거는 방법은 집적화된 소자에 적용하기 어렵고 중금속을 사용하는 방법은 이 현상이 구현되는 소재가 몇 가지 일부 물질로 제한되고 이 물질들이 상당히 비싸다는 문제가 있다. 본 연구진은 원자번호가 작은 경금속 물질에 전기장을 걸면 궤도 홀 효과가 생기면서 전자의 궤적이 쉽게 휘는 것을 세계 최초로 시현하였다.

본 연구진이 확인한 궤도 홀 효과는 다양한 물질로 구현 가능하기 때문에 물질 다양성 측면에서 진일보하였고 또한 훨씬 저렴한 소재를 사용해서 메모리 소자 구현이 가능해졌다.

○ 이 연구는 전자의 궤도 각운동량이 고체 내에서 쉽게 생성되고 제어될 수 있음을 보여준다. 여러 변화구를 원하는 위치에 던질 수 있는 능력이 훌륭한 투수를 만드는 중요한 능력인 것처럼 전자의 궤도 각운동량을 통해 전자의 궤도를 정확히 제어할 수 있는 능력은 다양한 고체 물리 분야에 적용될 것으로 기대되며, 특히 스핀 각운동량과 결합하여 저전력 자성 메모리 (MRAM) 개발에 응용될 것으로 기대된다.

용 어 설 명

1. 예) 네이처~~(Nature ~~) 誌

○ 과학 분야 세계최고 권위 학술지(Impact Factor : 69.504)

2. 궤도 각운동량 (orbital angular momentum)

○ 전자가 원자핵 주위를 공전함으로써 발생하는 각운동량

3. 자성 메모리 (MRAM)

○ 미세 자석의 자화 방향을 하나의 비트(bit)로 사용하는 정보 저장 소자로서 미세 자석의 자화 방향이 어느 쪽을 향하는지에 따라 그 비트에 기록된 정보를 0 또는 1로 간주한다. 자성 메모리는 대표적인 차세대 메모리 중 하나로서 더 적은 에너지로 더 빨리 정보를 쓸 수 있는 방법을 여러 기업에서 개발하고 있다. 궤도 각운동량을 이용한 전자 궤적 제어는 소자의 에너지 효율을 높이고 정보 기록 속도를 높이는데 유용하게 활용될 것으로 기대된다.

연구 이야기

<작성 : 성균관대학교 최경민>

□ 연구 배경

ㅇ 야구 투수가 빠른 공과 느린 공, 직구와 변화구를 자유자재로 구사하면 타자가 공략하기 힘든 것처럼 고체 내부 전자의 궤적을 자유자재로 조절할 수 있으면 전자소자의 성능을 향상시킬 수 있다. 그런데 고체에서 흐르는 전자의 속도와 숫자를 제어하는 방법은 잘 개발되어 있으나 야구 변화구처럼 전자의 궤적이 휘어지게 만드는 방법은 매우 제한적이다. 자기장 인가로 전자의 궤적을 휘게 할 수 있지만 이 방법은 미세한 전자 소자에 적용하기 어렵다.

□ 연구 내용

ㅇ 전자의 궤적이 야구 변화구처럼 휘는 현상을 홀 효과라 하는데 전자의 스핀(스핀 각운동량)을 이용하면 전자 궤적을 휘게 만들 수 있다는 것이 (스핀 홀 효과) 예전에 보고되었으나 이를 위해서는 원자번호가 큰 중금속이 필요하다는 문제가 있다. 본 연구진은 중금속이 아닌 원자번호가 작은 경금속에서 전자의 스핀 대신 전자가 원자핵 주위를 도는 궤도 각운동량을 이용해서 전자 궤적을 휘게 만들 수 있다는 것을 (궤도 홀 효과) 세계 최초로 시현하였다.

ㅇ 이 연구는 이론과 실험의 완벽한 협업의 결과물로써 최경민 교수팀이 실험을 주도하고 이현우 교수팀이 이론적 분석을 주도하였다. 또한 서울대 김창영 교수팀과 한국과학기술연구원 민병철 박사팀도 이론 해석 및 샘플 제작에 기여하였다.

□ 기대 효과

ㅇ이 연구는 전자의 궤도 각운동량이 고체내에서 제어될 수 있음을 보여준다. 제어가 가능한 궤도 각운동량은 다양한 고체 물리 분야에 적용될 것으로 기대되며, 특히 저전력 자성 메모리 개발에 응용될 것으로 기대된다.

그 림 설 명

[그림 1] 궤도 홀 효과

그림 설명

전자(황금색 구)는 원자핵 (파란색 구) 주변을 어느 방향으로 공전하는지에 따라 서로 다른 궤도 각운동량을 가진다. 궤도 각운동량 방향에 따라서 전자의 궤적이 휘는 현상을 궤도 홀 효과라고 한다. 이 궤도 홀 효과는 전자소자에서 전자의 궤적을 제어하는 원리를 제공한다.

[그림 2]

그림 설명

전자(빨간색, 파란색 구)는 원자핵 (회색 구) 주변의 공전 방향에 따라서 궤도 각운동량을 가진다. 궤도 각운동량을 가진 전자는 전기장에 의한 힘 방향으로(그림에서 오른쪽) 똑바로 흘러가지 않고 시계 반대방향(궤도 각운동량이 +L인 경우) 또는 시계방향(궤도 각운동량이 –L인 경우)으로 휘게 되는데 궤도 각운동량 때문에 전자 궤적이 휘는 현상을 궤도 홀 효과 (orbital Hall effect, OHE)라고 한다. 이 궤도 홀 효과는 전자소자에서 전자의 궤적을 제어하는 원리를 제공한다.

그림설명 및 그림제공 : 성균관대 최경민 교수

그림출처 : https://www.nature.com/articles/s41586-023-06101-9

Reprinted with permission from Nature

연구자 이력사항

<최경민 성균관대 에너지학과, 교신저자>

1. 인적사항

○ 소 속 : 성균관대학교 에너지과학과

○ 전 화 : 031-299-6279

2. 학력

○ 2011-2015 박사, University of Illinois at Urbana-Champaign 재료공학과

○ 2006-2008 석사, KAIST 재료공학과

○ 1999-2003 학사, KAIST 재료공학과

3. 경력사항

○ 2017 – 현재 성균관대 에너지과학과 조교수

○ 2015 – 2017 한국과학기술연구원 스핀융합연구단 선임연구원

○ 2008 – 2011 한국과학기술연구원 스핀융합연구단 연구원

○ 2003 – 2005 대한민국 육군 병장

4. 기타 정보

○ 전공분야: 자성재료, 자성메모리, 스핀트로닉스

○ 2022~현재 : 과학기술정보통신부·한국연구재단 개인기초연구사업(중견연구)

<이현우 포스텍 물리학과, 공동 교신저자>

1. 인적사항

○ 소 속 : 포스텍 물리학과

○ 전 화 : 054-279-2092

2. 학력

○ 1990-1996 박사, MIT 물리학과

○ 1987-1990 학사, KAIST 물리학과

3. 경력사항

○ 2002 – 현재: 포스텍 물리학과 조교수/부교수/정교수

○ 2002: 서울대학교 물리학부 BK 조교수

○ 2001 – 2002: 고등과학원 물리학부 KIAS 조교수

○ 1999 – 2001: 고등과학원 물리학부 연구원

○ 1996 – 1999: 서울대학교 이론물리연구센터 연구원

4. 기타 정보

○ 전공분야: 고체물리이론.

○ 2020~현재: 삼성미래기술육성재단 물리분야 연구과제 수행.

<최영관 성균관대학교 에너지과학과, 공동 제1저자>

1. 인적사항

○ 소 속 : 성균관대학교 에너지과학과

2. 학력

○ 2018-2023 박사, 성균관대학교 에너지과학과

○ 2016-2018 박사과정, 광주과학기술원 물리광과학과

○ 2014-2016 석사, 광주과학기술원 물리광과학과

○ 2007-2013 학사, 단국대학교 응용물리학과

3. 경력사항

○ 2022 – 현재 막스플랑크 연구소 (Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids), 박사후 연구원

4. 기타 정보

○ 전공분야: 스핀트로닉스, 자성메모리, 양자 자성 이미징, X-선 분광

<조대근 포스텍 물리학과, 공동 제1저자>

1. 인적사항

○ 소 속 : 포스텍 물리학과

○ 전 화 : 054-279-5520

2. 학력

○ 2017-현재 박사과정, 포스텍 물리학과

○ 2011-2017 학사, 한양대학교 물리학과

3. 경력사항

4. 기타 정보

○ 전공분야: 스핀트로닉스, 오비트로닉스

<고경훈 성균관대학교 에너지과학과, 공동 제1저자>

1. 인적사항

○ 소 속 : 성균관대학교 에너지과학과

2. 학력

○ 2018-현재 박사과정, 성균관대학교 에너지과학과

○ 2011-2018 학사, 서강대학교 물리학과

4. 기타 정보

○ 전공분야: 스핀트로닉스, 자성메모리