UNIST(총장 직무대행 이재성) 신소재공학부의 유정우 교수팀은 기존에 보기 드문 특이한 전류 흐름 현상을 발견하고, 이유를 밝히는 데 성공했다. 서로 다른 물질이 결합한 이종접합 소재에 외부 자기장을 걸어주자 한 방향으로만 전류가 더 잘 흐르는 정류작용이 나타난 것이다.

이종접합 소재는 맞닿은 면(계면)을 기준으로 ‘공간 반전 대칭성’이 깨져 있다. 일반적으로는 공간 축을 기준으로 뒤집어도 거울에서 대칭되듯 변화가 나타나지 않아야 하는데, 서로 다른 물질이 맞붙으면 이 성질이 어긋나는 것이다. 연구진은 이 상태에서 자기장을 걸어서 소재에서 전류가 흐르는 방향을 제어할 수 있음을 보였다.

원자 속 전자는 원자핵을 일정한 궤도로 돌면서(운동량), 스스로 회전(스핀)한다. 그런데 물질의 공간 반전 대칭성이 무너지면, 전자의 운동량과 스핀이 서로 속박된다(라쉬바 효과). 이때 자기장을 걸어주면 ‘시간 반전 대칭성’도 함께 붕괴하면서 전자구조의 대칭성이 무너진다. 전자의 스핀은 방향에 따라 업(up) 스핀과 다운(down) 스핀으로 나뉘며 서로 대칭된 전자 구조를 가지는데, 자기장을 인가하면 이것이 깨지는 것이다. 이때 전자들이 특정방향으로 더 잘 흐르는 ‘방향성’ 흐름을 가질 수 있다. 

유 교수팀은 란타넘산화물(LaAlO₃)과 스트론튬산화물(SrTiO₃) 의 접합 계면에서 라쉬바 효과가 크고 일정하다는 점에 주목했다. 이 경우 전자의 스핀과 운동량이 서로 결부돼 나타나는 다양한 전자 수송특성을 연구하기 적합하기 때문이다. 연구진은 두 산화물의 이종접합 전도층에서 특정 방향으로 자기장이 걸렸을 때, 전류가 한 방향으로 더 큰 값으로 흐른다는 점을 규명했다. 또 추가로 다른 방향의 전압(게이트전압)을 걸어주면, 라쉬바 효과가 커져서 전류의 방향성 흐름을 더욱 강하게 제어할 수 있음을 보여줬다.
 

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