김창영 연세대 교수(물리학과)가 ‘Nature Physics’지 6월호에  ‘스핀-전하 분리’ 현상을 검증한 논문을 발표해 주목을 받고 있다. 김 교수는 1차원계 양자 스핀 물질인 SrCuO2의 고 에너지 광전자 분석의 특별한 성질을 이용하여 스핀과 전하의 움직임이 뚜렷이 구별되는 현상을 관측했다. 이 관측은 전자의 스핀과 전하가 따로 움직임, 즉 “스핀-전하 분리” 현상의 가장 직접적이고 확실한 실험적 증거다.

물질의 기본 단위인 원자는 원자핵과 전자로 이루어져 있다. 이 중 실제 물질의 여러 가지 성질을 결정하는 것은 전자 인데, 전자가 어떻게 행동하는가에 따라 전자 산업의 근간이 되는 반도체가 될 수도 있고, 전류를 흘려주는 도체가 될 수도 있다. 그런데 전자의 특성을 나타내는 두개의 중요한 양이 전자의 ‘전하’와 ‘스핀’이다. 전자를 지구에 비유한다면 ‘스핀’은 지구의 ‘자전’에 현상에 비유할 수 있겠다. 우리가 매일 쓰는 전기는 전자의 흐름이며, ‘스핀’은 물질의 자성 등을 결정해 주는 전자의 중요한 성질이다.

전하와 스핀이라는 전자의 이 두 가지 양은 분리해서 생각할 수 없는 것으로, 이는 마치 지구의 자전을 지구 자체와 분리해서 생각하는 것과 같이 일어날 수 없는 일이다. 하지만 1차원계 고체 내부에서는 전자의 전하와 스핀이 따로 분리되는 현상이 일어나는데 이를 “스핀-전하 분리”라 하며 이론적으로는 이미 1960년대에 예측됐지만 실험적으로 많은 노력에도 확실한 검증이 되지 않았다.

이번 스핀-전하 분리를 실험적으로 검증함으로써 전자의 스핀과 전하를 분리해 개별적으로 응용할 수 있는 가능성이 마련됐다. 스핀은 전하보다 양자 정보의 입출력 및 전달이 용이하여 최근 스핀트로닉스라는 분야가 새로 출현할 정도로 차세대 양자 IT 분야에서 집중적인 연구의 대상으로 부각되고 있다. 이러한 면에서 관련 기초 학문뿐 아니라 응용기술 발전도 기대된다.
박수진 기자 namu@kyosu.net

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