이달 과기인상에 '양자역학적 스핀 펌핑' 세계 최초 입증한 정명화 교수

양자역학적 특성으로 기존 방식보다 10배 이상 큰 스핀 전류 생성

전자 이동 시 에너지 효율 향상…저전력 소자 개발 기반 마련 성과

[서울=뉴시스]이달의 과학기술인상 8월 수상자로 선정된 정명화 서강대학교 물리학과 교수. (사진=과학기술정보통신부 제공)

[서울=뉴시스]윤현성 기자 = 세계 최초로 '양자역학적 스핀(spin) 펌핑 현상'을 실험적으로 입증한 정명화 서강대학교 물리학과 교수가 8월의 과학기술인으로 선정됐다. 정명화 교수의 연구는 산업 분야에서 에너지 효율이 높은 저전력 소자 개발의 기반이 될 것으로 기대되고 있다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단은 이달의 과학기술인상 8월 수상자로 정명화 교수를 선정했다고 6일 밝혔다.

이달의 과학기술인상은 최근 3년간 독보적인 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구개발자를 매월 1명씩 선정해 과기정통부 장관상과 상금 1000만원을 수여하는 상이다.

과기정통부와 연구재단은 2025년 세계 양자 과학기술의 해를 기념해 세계 최초로 양자역학적 스핀 펌핑 현상을 실험적으로 입증한 정명화 교수를 수상자로 선정했다고 설명했다.

정명화 교수의 연구는 스핀트로닉스 기술의 실용 가능성을 확장하며 차세대 양자소자 및 스핀 기반 반도체 기술의 패러다임 전환을 촉진할 핵심 성과로 평가받고 있다.

스마트폰 등 일상에서 사용되는 전자기기는 전자의 이동으로 작동한다. 하지만 전자가 이동할 때 물질 내부의 원자들과 충돌하면서 열이 발생해 에너지 소모량 증가와 소자 효율 감소의 원인이 되고 있다.

이같은 문제를 해결하기 위해 최근에는 전자의 이동 없이도 전자 회전으로 발생하는 스핀 에너지를 자성체에서 비자성체로 전달하는 '스핀 전류'와 스핀 전류를 생성하는 '스핀 펌핑' 방식에 대한 연구가 활발하다.

다만 기존의 고전역학적 스핀 펌핑은 세차운동(물체 회전축이 원형궤도에 따라 움직이는 현상)을 기반으로 전류를 생성하기 때문에 스핀 흐름의 제어·전달·변환 과정에서 손실이 발생하는 등 에너지 효율이 제한적이라는 한계가 있었다.

고전역학적 방식의 스핀 펌핑(왼쪽)과 양자역학적 방식의 스핀 펌핑의 비교. (사진=과기정통부 제공) *재판매 및 DB 금지

정명화 교수는 고전역학적 스핀 펌핑이 지닌 한계를 넘기 위해 스핀의 양자역학적 특성을 정밀하게 활용한 새로운 스핀 생성 방법을 제시했다. 스핀 방향이 고정된 상태에서 스핀의 '크기'가 변화할 때 스핀 전류가 발생하는 양자역학적 스핀 펌핑 현상에 주목한 것. 정명화 교수는 이를 통해 생성되는 스핀 전류가 세차운동 기반의 스핀 전류보다 매우 클 것으로 예측했다.

이를 실험적으로 입증하기 위해 '철(Fe)-로듐(Rh)'이라는 특별한 자성박막을 제작하고, 이를 이용해 양자역학적 방법으로 기존 방식보다 10배 이상 큰 스핀 전류를 생성하는 데 성공했다.

특히 극저온 환경에서 관측되는 것이 일반적인 양자역학적 현상을 상온에서도 구현함으로써 상온에서도 효율 좋은 스핀 전류를 만들 수 있음을 입증했다. 해당 연구결과는 2025년 1월 국제학술지 네이처(Nature)에 게재됐다.

정명화 교수는 "이번 성과는 스핀트로닉스 기술의 진보는 물론 에너지 효율이 높은 저전력 소자 개발의 기반을 마련함으로써 차세대 양자소자 기술의 활용 가능성을 확장했다는 점에서 큰 의미가 있다"고 설명했다. 또 후배연구자들을 향해서는 "기초연구는 답이 없는 길을 찾아가는 과정이다. 실패하더라도 포기하지 않고 계속 도전하는 마음과 행동이 필요하다"고 당부했다.


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