울산과학기술원(UNIST) 물리학과와 연세대학교 연구팀이 전자의 스핀을 고체 속에서 보다 정확하게 설명할 수 있는 새로운 이론을 개발했다고 8일 밝혔다.

아인슈타인이 '신은 주사위를 던지지 않는다'며 양자역학의 확률론적 접근을 비판했지만, 역설적으로 그의 상대성이론은 양자역학의 주요 연구 대상인 전자를 설명하는 핵심 도구가 됐다. 전자는 양자역학적 분석이 필요한 극소 입자이면서 동시에 상대성이론이 요구되는 고속 움직임을 보이기 때문이다.

그러나 두 이론의 출발점이 달라 일관성 있는 설명에 어려움이 있었는데, 이런 간극을 메우는 이론이 물리학 최고 권위지인 피지컬 리뷰 레터즈에 지난 6월 27일 게재됐다.

박노정 교수와 김경환 교수팀은 전자의 2가지 회전 형태인 스핀과 궤도각운동량 중에서 스핀-궤도 결합을 새롭게 접근했다. 스핀을 지구의 자전에, 궤도각운동량을 태양 주위 공전에 비유할 수 있는 이 둘의 상호 작용은 물질의 자성과 전도성을 결정한다.

기존에는 스핀-궤도 결합이 상대론적 고에너지 영역에서 유도되는 반면, 실제 고체나 반도체 환경에서는 낮은 에너지의 양자역학이 지배적이어 계산에 한계가 있었다. 고체 격자 안에서는 궤도각운동량을 정확히 정의하기도 어려웠다.

연구팀은 궤도각운동량 없이 물질 내 상대론적 효과인 스핀-궤도결합을 설명하는 '스핀-격자 상호 작용' 개념을 새롭게 정의했다.

이 계산법을 1차원 도체, 2차원 부도체(h-BN), 3차원 반도체(GaAs) 등 다양한 물질에 적용한 결과, 스핀 분포와 스핀 전류, 자기 반응 등을 기존 방식보다 정확하고 효율적으로 예측할 수 있음을 확인했다.

공동 연구팀은 "양자역학과 상대성이론 간 간극에서 발생하던 계산적 비일관성을 해소한 방식"이라며 "스핀트로닉스와 차세대 메모리 반도체 소자 등 스핀 기반 전자 소자 설계에 기초 이론으로 활용될 것"이라고 말했다.

이번 연구에는 김범섭 박사가 제1저자로 참여했으며 과학 기술정보통신부 한국연구재단과 UNIST-삼성전자 반도체 산학과제, 연세대학교, SRC-양자각운동량동역학센터의 지원을 받았다.