차세대 스핀트로닉스 기술의 핵심 원리로 주목받아 온 손대칭성 물질의 작동 메커니즘이 실험으로 규명됐다.

울산과학기술원(UNIST)은 남궁선·박노정 물리학과 교수가 7일 미국 펜실베이니아주립대 빙하이옌 교수와의 공동 연구를 통해 손대칭성 물질이 전자의 스핀 방향을 능동적으로 바꾼다는 사실을 입증했다고 밝혔다.

손대칭성 물질은 왼손과 오른손처럼 겹쳐지지 않는 구조를 가진 물질이다. DNA나 용수철처럼 꼬인 방향에 따라 손대칭성이 결정된다. 이런 나선형 구조에 전류를 흘리면 특정 스핀을 가진 전자만 통과하는데, 이 현상을 활용하면 차세대 스핀트로닉스 소자 제작이 가능하다.

그러나 이 현상의 구체적 작동 방식을 놓고는 학계 논쟁이 이어져 왔다. 원치 않는 스핀을 걸러낸다는 스핀 필터 가설과 스핀 방향 자체를 변화시킨다는 스핀 편극자 가설이 대립해온 것이다.

연구팀은 나선형으로 꼬인 텔루륨 나노선에 그래핀 전극을 연결한 뒤 전류를 흘려 이를 검증했다. 특수 현미경으로 관찰한 결과, 나노선과 전극에서 관측된 스핀 방향의 부호가 동일하게 나타났다.

필터 방식이라면 걸러진 스핀과 통과한 스핀의 부호가 달라야 하므로, 이는 스핀 편극자 가설을 뒷받침하는 증거다.

박노정 교수팀은 이론 계산도 병행했다. 밀도범함수이론 계산을 통해 손대칭성 물질을 통과하는 전자가 물질을 따라 돌며 궤도 각운동량을 얻고, 이에 따라 스핀 방향이 결정되는 과정을 확인했다.

남궁선 교수는 "오랫동안 논쟁 대상이 됐던 손대칭성 물질 내 스핀의 거동을 명확히 시각화해 증명해낸 연구"라며 "앞으로 손대칭성 물질을 기반으로 한 스핀트로닉스 소자와 양자 소자 설계에 단서가 될 것"이라고 말했다.

이 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 기초연구실 사업 및 중견 연구 사업 지원으로 수행됐으며, 국제 학술지 에이씨에스 나노(ACS Nano)에 지난달 23일 게재됐다.