연구
< (왼쪽부터)우리 대학 물리학과 김창수 박사(공동 제1 저자), 이수길 박사(공동 제1 저자), 김갑진 교수(교신저자), 김세권 교수(교신저자) >
우리 대학 물리학과 김갑진 교수, 김세권 교수, 김창수 박사, 이수길 박사 연구팀이 우리 대학 신소재공학과 박병국 교수, 육종민 교수 연구팀 및 한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민) 양자기술연구소 양자스핀팀과 함께 협업 연구하여 1960년대 이론으로만 소개됐던 왼손 방향으로 회전하는 스핀파를 세계최초로 증명했다. 이로써 스핀을 이용한 차세대 소자개발에 새로운 지평선이 열릴 것으로 전망된다.
공동연구팀은 전이금속 코발트(Co)와 희토류 가돌리늄(Gd)이 일정 비율로 혼합된 CoGd 준강자성체*에서 왼손 방향의 세차운동**을 하는 스핀파를 측정하고 이에 기반한 물리 현상들을 새롭게 밝혀냈다.
*준강자성체(ferrimagnet): 서로 다른 크기의 반평행한 자화들로 이루어진 자성체
**세차운동(precession): 회전하는 천체나 물체의 회전축 자체가 도는 형태의 운동이나 그 현상
스핀(spin)과 일렉트로닉스(electronics)의 합성어인 스핀트로닉스 기술은 전자의 전하와 스핀을 동시에 제어하는 기술로, 기존 전자소자의 기술적 한계를 극복할 수 있을 것으로 전망되고 있다.
스핀들의 집단적 움직임을 나타내는 스핀파의 경우, 작동 주파수가 매우 높은 영역에 분포하고 전력의 소비가 매우 적으므로 초고속 저전력 소자에 적용할 수 있다.
스핀트로닉스를 실현하려면 전자의 스핀 방향을 자유롭게 제어하여 정보를 저장할 수 있어야 한다. 그러나 스핀을 결정하는 물리적 원인과 제어 방법, 스핀의 회전 방향 분석 등 복합적이고 난도 높은 연구가 필요하다.
주변에서 흔히 볼 수 있는 자석을 잘게 쪼개면, 전자스핀 하나에 해당하는 작은 자석까지 나눌 수 있다. 이 작은 자석은 자기장이 주어지게 되면 오른손 방향으로 세차운동을 하는 성질을 갖는다.
그러나 반평행하게 정렬된 코발트와 가돌리늄의 단위 자화는 회전 관성이 더 큰 가돌리늄의 자화 때문에 전체적으로 왼손 방향으로 회전하는 성질을 가질 수 있다. 1960년대에 준강자성체의 세차운동에 대한 이론들이 발표되면서 왼손 방향 운동이 예측됐지만, 현재까지 미시적인 수준에서의 실험으로는 관찰되지 못했던 현상이다.
공동 연구팀은 빛과 스핀파 사이의 충돌을 이용하는 기법인 브릴루앙 광산란법(Brillouin light scattering)을 사용해 이론을 실험으로 증명했다. CoGd 준강자성체에 빛을 쪼아 스핀파와 충돌시킨 후, 되돌아온 빛을 분석해 스핀파가 가진 에너지와 운동량을 알아낸 것이다.
이번 연구에서는 수십 피코초(ps, 1000억분의 1초) 영역에서 왼손 방향 운동을 처음으로 관찰했으며, 준강자성체의 자화보상온도에서 스핀파 에너지가 0 근처로 수렴하고 자기장의 증가에 따라 각운동량 보상온도가 같이 증가하는 현상 등도 새롭게 밝혀냈다.
< 강자성체와 CoGd 준강자성체 내부에서 자화의 오른손 및 왼손 방향 외전 모식도(좌), 스핀파와 브릴루앙 산란 측정 모식도(우) >
< 자성체의 왼쪽 세차운동 모식도(좌) >
KRISS 황찬용 책임연구원은 “지금까지는 오른쪽으로 도는 자화를 기반으로만 이론이 제시되고 실험이 진행됐다”라며, “스핀파의 왼손 방향 운동을 최초로 규명함으로써 차세대 스핀트로닉스 소자개발에 새로운 지평선이 열릴 것으로 기대된다”라고 밝혔다. 또한 우리 대학 김세권 교수는 "준강자성체의 보상점에서 나타나는 새로운 물리현상을 세계 최초로 관측했다는 점에서 큰 의미를 가진다"고 평했으며, 김갑진 교수는 "이번 연구는 국내 연구진들이 공동연구를 통해 시너지를 일으켜 이룩한 성과로서 그 가치가 있다"고 밝혔다.
국가과학기술연구회 창의형융합연구사업(CAP), 한국연구재단 미래반도체 사업, 미래소재 디스커버리 사업, KAIST 특이점(프렙) 연구의 지원을 받은 이번 연구결과는 물리학 분야의 세계적 학술지인 네이처 머티리얼즈(Nature Materials–IF: 38.887)에 6월 30일 온라인 게재됐다.
-
연구 자석 속 ‘스커미온’ 형성 원리 규명… AI 전력 문제 해결 단서
자석 속 전자 스핀이 소용돌이처럼 배열된 ‘스커미온(skyrmion)’은 차세대 스핀트로닉스 기술의 핵심 구조다. 우리 대학 연구진은 특수한 물리 조건 없이도 자석의 기본적인 물리 작용만으로 스커미온이 형성될 수 있음을 밝혔다. 이는 다양한 자성 물질에서 스커미온 구현 가능성을 넓혀 기존보다 수십~수백 배 높은 정보 저장 밀도를 구현할 수 있는 차세대 초저전력 정보소자 개발에 새로운 가능성을 제시한다. 우리 대학은 물리학과 김세권 교수 연구팀이 자성과 격자의 결합(자기-탄성 결합)만으로 소용돌이형 자성 구조가 자연스럽게 만들어질 수 있다는 새로운 이론을 제시했다고 19일 밝혔다. 연구팀은 자석 속 스핀(전자들이 가지는 작은 자석 성질)과 격자 변형(원자 배열이 미세하게 뒤틀리는 현상)이 서로 영향을 주고받는 작용만으로도 소용돌이 모양의 자성 구조가 스스로 형성될 수 있음을 밝혔다. 특히 자성 물질 내부에서 나타나는 소용돌이형 스핀 구조인 스커미온은 크기
2026-03-19 -
인물 ‘올해의 KAIST인상’에 물리학과 이경진 교수 선정
우리 대학은 개교 55주년을 맞아 ‘올해의 KAIST인상’ 수상자로 이경진 물리학과 교수를 선정했다고 12일 밝혔다. ‘올해의 KAIST인상’은 탁월한 학술 및 연구 성과를 통해 국내외에서 KAIST의 발전과 위상 제고에 기여한 구성원에게 수여하는 상으로, 2001년 제정됐다. 제25회 수상자로 선정된 이경진 물리학과 교수는 30여 년간 당연하게 여겨져 온 스핀 전달 이론의 기존 가정을 뒤집고, ‘양자 스핀펌핑(Quantum Spin Pumping)’ 현상을 세계 최초로 규명한 공로를 인정받았다. 기존 이론이 스핀을 단순한 고전적 물리량으로 취급해 온 것과 달리, 이 교수는 실제 물질 속 스핀 역시 전자처럼 본질적인 양자적 성질을 지닌다는 점에 주목했다. 이를 검증하기 위해 이 교수는 스핀의 크기가 특정 조건에서 갑자기 변하는 독특한 성질을 지닌 철-로듐(FeRh) 자성 물질을 연구 대상으로 선택했다. 이 물
2026-02-12 -
인물 제67회 3·1문화상에 물리학과 이경진 석좌교수 수상
우리 대학 이경진 석좌교수가 제67회 3·1문화상 수상자로 선정됐다. 학술상 자연과학부문 수상자인 이경진 석좌교수는 지난 20여년간 스핀트로닉스 연구에 매진하며 기존 학계의 통념을 넘어서는 거대 양자 스핀 펌핑 현상을 세계 최초로 발견했다. 그의 연구는 물리학 분야의 오랜 난제를 해결함과 동시에 차세대 반도체 기술 개발을 위한 새로운 이론적 토대를 제시한 성과로 평가받고 있으며, 세계적 석학으로서 물리학 발전에 기여한 점을 인정받았다. 3·1문화상은 숭고한 3·1운동 정신을 계승해 우리나라의 문화 향상과 학술·산업 발전에 기여한 인사를 포상하기 위해 1959년 창설됐으며, 1960년 3월1일 제1회 시상식을 거행했다. 이후 1966년 8월 재단법인 3·1문화재단 설립으로 이어진 공익 포상 제도다. 수상자에게는 상패와 메달, 상금 1억원을 수여되며, 시상식은 3월 1일 오전 10시 서울 중구 웨스틴 조선 호텔에서
2026-01-09 -
연구 마그논 3차원 제어 세계 첫 규명- 뉴로모픽·양자기술 게임체인저로
전류없이 자석으로 정보 전달이 가능한 마그논(스핀파)으로 처리하는 마그논 홀 효과는 지금까지 2차원 평면에서만 가능하다고 알려져 있는데 그 한계를 뛰어넘는다면 어떨까? 마그논이 3차원 공간에서 활용가능하다면 입체적 회로 등 자유로운 설계부터 인간의 뇌 정보와 같이 차세대 뉴로모픽(뇌 모사형) 연산 구조 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다. KAIST와 국제공동연구진은 기존에 마그논 개념을 뛰어넘어, 3차원 공간에서도 자유롭고 복잡하게 움직일 수 있다는 3차원 마그논 홀 효과를 세계 최초로 예측했다. 우리 대학 물리학과 김세권 교수가 독일 마인츠 대학의 리카르도 자르주엘라 박사와 공동연구를 통해, 복잡한 자석 구조(쩔쩔맴 자성체, topologically textured frustrated magnets) 내에서 마그논(스핀파)과 솔리톤(스핀들의 소용돌이)의 상호작용이 단순하지 않고 복잡하게 설명된다는 사실을 세계 최초로 밝혀냈다. 전자의 움직임처럼 정보를 전달할 수 있는 마
2025-05-22 -
연구 마그논 오비탈 홀 효과로 반도체 발열문제 실마리
기존 정보처리 기술을 혁신적으로 발전시켜 초고속 초고집적 차세대 반도체 기술을 구현할 것으로 기대되는 스핀트로닉스와 오비트로닉스는 줄발열*로 인한 에너지 소모 문제가 필연적으로 동반되는 치명적인 결점이 있었다. 한국 연구진이 초저전력 오비탈** 기반 정보처리 기술의 기틀을 세울 수 있을 기술을 개발하여 화제다. *줄 발열: 도체에 전류가 흐를 때 일어나는 발열 현상. **오비탈: 입자 회전 운동으로 발생되는 각운동량을 뜻함. 우리 대학 물리학과 김세권 교수 연구팀이 포항공과대학교 물리학과 이현우 교수팀과의 공동 연구로 반강자성체*에서 마그논 오비탈 홀 효과**를 세계 최초로 발견해 물리 및 화학 분야 세계적인 학술지 `나노 레터스(Nano Letters)'에 게재했다고 17일 밝혔다. *반강자성체: 인접한 원자의 전자스핀이 서로 반대로 정렬하여 순 자성이 없는 물질을 말함. *마그논 오비탈 홀 효과: 축구의 바나나킥처럼, 마그논이 회전방향(오비탈)에 따라 진행궤적이
2024-06-17