한국 연구진 전자 궤적 제어 전세계 첫번째 성공

과학기술정보통신부는 최경민 교수 연구팀과 이현우 교수 연구팀이 함께 금속 내부에서 전자 궤적을 야구에서의 변화구처럼 휘도록 제어하는 방법을 개발했다고 발표했습니다. 이번 세계 최초의 성과는 6일 국제학술지 '네이처'에 발표되었습니다.

궤도 홀 효과-[성균관대학교 제공]

궤도 홀 효과는 원자핵 주변을 공전하는 전자가 서로 다른 궤도 각운동량을 가지는 현상입니다. 이는 전자와 전기력장 간의 상호작용에서 비롯됩니다. 전자가 공전하는 방향에 따라 궤도 각운동량이 달라지며, 이에 따라 전자의 궤적이 휘는 현상을 궤도 홀 효과라고 부릅니다.

궤도 홀 효과는 물리학에서 중요한 역할을 합니다. 예를 들어, 이 효과는 전기전자학에서 전자 소자의 작동 원리를 이해하는 데 필수적입니다. 또한, 이 효과는 고체 물리학에서도 사용되며, 전자의 궤적을 제어하는 원리로 활용됩니다.

이러한 궤도 홀 효과는 현대 물리학의 발전에 큰 영향을 미쳤습니다. 이론물리학에서는, 궤도 홀 효과를 통해 전자의 행동을 예측하는 데 사용됩니다. 또한, 이 효과는 고체 물리학, 광학, 전기전자학, 자기학 등 다양한 분야에서 응용되며, 현대 과학 기술의 발전에 큰 역할을 합니다.

 

전자 소자의 성능을 향상하기 위해서는 고체 내부에서 전자의 궤적을 자유자재로 조절할 수 있어야 합니다. 이를 위해서는 고체에서 흐르는 전자의 속도와 전자의 수를 제어하는 방법이 필요합니다. 하지만 전자의 궤적이 휘도록 제어하는 방법은 아직까지 매우 제한적입니다. 연구팀은 이러한 문제점을 해결하기 위해 나노미터 단위의 미세한 소자 내부에 존재하는 전자의 궤적을 낮은 전력을 사용해 개별적으로 제어하는 새로운 기술을 개발하였습니다.

기존의 방법으로는 부분적으로 제어하기 어려웠던 자기장을 이용하여 전자의 궤적을 낮은 전력으로 제어할 수 있게 되었습니다. 연구팀은 이를 위해서 타이타늄 금속에서 전자가 원자핵 주위를 도는 궤도 각운동량을 이용해 전자 궤적을 휘게 만드는 '궤도 홀 효과'를 세계 최초로 시현하였습니다.

전자는 원자핵 주변의 공전 방향에 따라 궤도 각 운동량을 가진다 (전자=빨간색,파란색 구/ 원자핵=회색구)[성균관대학교 제공]

이번 연구 결과는 이론적으로만 알려져 있던 '궤도 홀 효과'를 중금속이 아닌 원자번호가 작은 경금속에서 실험적으로 최초로 시현했다는 점에서 그 의미가 크다고 합니다.

연구팀은 현재 사용하는 대부분의 소자들이 활용하는 전기장으로 인한 전자의 수 변화가 아닌 전자의 각운동량을 이용하여 자성메모리의 성능을 향상하기 위한 연구를 추진할 예정이라고 밝혔습니다. 이번 연구 성과는 전자 소자에서 전류의 궤적을 제어할 수 있는 근본 원리를 제공하는 의의가 있다는 최경민 교수의 말과 같이, 다양한 분야에서의 연구에 활용될 것으로 기대됩니다.