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"60년 만에 증명했다" 왼손 방향 스핀파 세계최초 보고
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. 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.
2020.06.30
조회수 17622
박용근 교수, 세계적 논문 쓴 학부생 연이어 배출
우리 학교 물리학과 박용근 교수의 지도를 받은 학부생들이 세계적 저널에 잇따라 논문을 게재해 화제다. 이번 주인공은 물리학과 4학년 조영주 학생. 조 씨는 ‘단일 박테리아 광 산란 분석기술’에 대한 논문을 발표해 세계적 과학저널 네이처(Nature)가 발행하는 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 에 게재됐다. 의료 및 식품위생 분야에서 매우 중요한 박테리아를 기존의 생화학적 방법으로 분석하려면 며칠이 걸린다. 그러나 조 씨가 이번에 개발한 빛을 이용한 방식으로 관찰하면 단 몇 초 안에 박테리아의 종류를 분석할 수 있다. 조영주 씨는 군복무 후 해외대학 진학을 계획 중인 것으로 알려졌다. 박 교수 제자들의 활약은 이번이 처음은 아니다. 2012년과 2013년 화학과 조상연씨가 주도한 논문이 셀(Cell)과 네이처(Nature) 자매지에 잇따라 게재됐다. 지난 3월 한국광학회 우수논문상을 받은 생명과학과 이서은(21, 2월 졸업) 씨도 박 교수의 지도를 받았다. 조상연 씨는 대학원생도 내기 어려운 저널에 두 번이나 논문을 실을 만큼 우수한 연구 성과를 인정받아 세계 최고 명문대학인 하버드-MIT 연합 의공학대학원, 하버드, 스탠포드, 캘리포니아대 버클리캠퍼스, 캘리포니아 공대에 동시에 전액장학생으로 합격해 화제가 되기도 했다. 조 씨는 오는 9월 하버드-MIT 연합 의공학대학원에 진학할 예정이다. 또 이서은 씨는 올해 콜럼비아 의대 생명과학 박사과정으로 진학예정이다. 학부 졸업생이 석사과정 없이 해외 명문대학으로 박사과정으로 진학하는 것은 매우 이례적이다. 이밖에 박 교수의 지도를 받은 학부생들은 옵틱스 익스프레스(Optics Express), 생의학 광학 저널(Journal of Biomedical Optics)에 연구 논문을 게재해 스탠포드 등 해외 명문대학에 진학했다. 박용근 교수는 “노벨상 수상 등 역사 속 유명한 과학자들은 20대 초반에 아무도 수행하지 않은 세계적인 성과를 거뒀다”며 “다양한 과목을 동시다발적으로 배우는 학부생 때가 창의적인 발상이 가장 많은 시기”라고 학부생 연구의 중요성에 대해서 언급했다. 이어 “KAIST는 국내 최고 연구중심대학에 걸맞게 학부생 연구 참여 프로그램이 활성화 되어있어 학부생의 실질적 실험 및 연구가 가능해 좋은 연구결과들을 많이 거둘 수 있었다”고 말했다. 조상연 씨는 “박용근 교수님은 학부생들을 대학원생과 차별하지 않고 주도적 연구기회를 주고 열정적으로 지도해 주셨다”며 “미국 대학 면접 시 세계적인 저널에 두 편이나 연구논문을 게재한 것에 대해 면접관으로 참여했던 교수들도 많이 놀라워했다”고 전했다. 바이오광학분야에서 세계적 학자인 박용근 교수는 서울대 기계항공공학부를 나와 미국 하버드-MIT 연합 의공학대학원에서 의공학 박사학위를 받은 2010년 6월 KAIST 물리학과 조교수로 부임했다. 그림1. 단일 박테리아의 (a) 위상 이미지와 (b) 광 산란 패턴, 그리고 (c) 박테리아 정보 추출을 위한 정량 분석 예시
2014.05.29
조회수 15200
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