상온 양자역학 첫 발견! 스마트폰 혁명 예고한 KAIST 연구

우리가 사용하는 스마트폰, 컴퓨터 같은 전자기기는 전기가 흐르면서 작동합니다. 그런데 문제는 전기가 흐를 때 열이 발생한다는 거예요. 이 열이 많아지면 기기가 뜨거워지고, 전력 소모가 커지죠. 그런데, 국내 연구진이 이 문제를 해결할 혁신적인 방법을 찾아냈습니다!

 

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KAIST와 서강대 연구팀이 세계 최초로 상온에서 양자역학적인 스핀 펌핑 현상을 발견했어요! 이 기술은 기존 방식보다 10배나 더 효율적이라고 합니다. 연구 결과는 세계적으로 권위 있는 과학 저널인 네이처(Nature)에 실렸습니다. 과연 이 기술이 무엇인지, 어떻게 우리의 미래를 바꿀 수 있을지 살펴볼까요?

전기는 왜 열을 만들까?

전자기기가 작동할 때 내부에서 전자가 이동합니다. 그런데 이 전자들이 가는 길에 있는 원자들과 부딪히면서 열이 발생하는 거예요. 이것을 '줄열(Joule heat)'이라고 합니다. 이렇게 열이 발생하면 전력 소모가 많아지고, 기기의 성능도 떨어지게 됩니다.

'스핀'이라는 새로운 가능성

과학자들은 이 문제를 해결하기 위해 전자의 전하(charge) 대신 스핀(spin)을 이용하는 방법을 연구해 왔어요. 이 기술을 '스핀트로닉스(spintronics)'라고 합니다.

 

간단히 말해서, 기존 전자기기는 전자의 이동(전류)로 작동하는데, 새로운 기술은 전자의 '스핀'을 활용해서 전류를 만들자는 거죠! 이렇게 하면 전력 소모가 줄어들고, 열도 덜 발생하는 효과가 있어요.

KAIST 연구팀의 대발견! '스핀 펌핑'이란?

스핀 전류를 만들기 위해 연구진이 사용한 방법이 '스핀 펌핑(spin pumping)'이에요. 스핀 펌핑이란 자석(자성체)과 일반 물질(비자성체)을 붙이면, 자석에서 자연스럽게 스핀이 이동하는 현상을 말해요. 그런데 문제는 기존 방식으로는 스핀 전류의 크기가 너무 작아서 실용화가 어렵다는 것이었어요.

 

그래서 연구진은 철(Fe)과 로듐(Rh)이라는 금속을 합쳐서 새로운 물질(FeRh 자성박막)을 만들었어요. 이 물질을 이용하면 스핀 전류가 10배 이상 강하게 발생하는 것을 발견했어요! 더 놀라운 점은, 대부분의 양자역학적 현상은 극저온(-200℃ 이하)에서만 나타나는데, 이번 연구에서는 상온(실온)에서도 스핀 펌핑이 일어난다는 것을 증명했다는 겁니다!

고전역학적 스핀 펌핑 vs 양자역학적 스핀 펌핑

▲ 고전역학적 스핀 펌핑(a)과 양자역학적 스핀펌핑(b) 개략도

 

(a) 고전역학적 스핀 펌핑: 자성체(FM) 내부에서 자화(m(t))가 세차운동(회전)하며 스핀 전류(js)가 생성됩니다. 자화의 방향만 변하고 크기는 유지됩니다.

(b) 양자역학적 스핀 펌핑: 자성체(FM)의 자화 크기 자체가 변하면서 강력한 스핀 전류(js)가 생성됩니다. 이로 인해 스핀 전류의 효율이 기존 방식보다 훨씬 커집니다.

FeRh 자성박막에서의 스핀 펌핑

 

▲ 철(Fe)과 로듐(Rh)의 합금인 FeRh에서 발생하는 양자적 스핀 펌핑

 

FeRh 자성박막은 온도 변화에 따라 자기적 성질이 변합니다:

• 좌측(Cold): FeRh가 반강자성체(AFM) 상태에 있을 때, Fe 원자의 자화는 서로 반대 방향으로 정렬되어 있습니다.
• 중앙(Transition): 온도가 올라가면서 자기 상전이가 일어나고, Rh 원자가 자화를 갖게 됩니다. 이 순간 강력한 스핀 전류가 발생합니다.
• 우측(Hot): FeRh가 강자성체(FM) 상태로 전환되며, Fe와 Rh의 자화가 같은 방향으로 정렬됩니다.

이 기술이 우리의 미래를 어떻게 바꿀까?

• 기존 방식보다 최소 10배 더 강력한 스핀 전류를 생성 → 고효율 전자 소자 개발 가능!
• 전력 소모가 줄어든 스마트폰, 컴퓨터 등장 → 배터리가 훨씬 오래갈 수도?
• 양자컴퓨터, 차세대 전자 소자 개발 가능 → 미래 IT 기술의 핵심이 될지도?

이 연구가 중요한 이유

이번 연구는 세계 최초로 상온에서 양자역학적 스핀 펌핑을 증명했다는 점에서 매우 중요한 의미를 가집니다. 기존 기술보다 10배 더 효율적인 스핀 전류 생성 방법을 찾아낸 것이죠.

 

이 기술이 발전하면, 앞으로 전력 소모가 적은 전자 소자, 배터리 오래가는 스마트폰, 양자컴퓨터 같은 혁신적인 기술들이 등장할 수 있어요. 연구진은 이번 연구를 바탕으로 더 강력한 양자 기술 개발에 도전할 예정이라고 합니다.

앞으로도 KAIST와 국내 연구진의 놀라운 연구 성과를 기대해 보세요!

 

양자컴퓨팅이 바꿀 미래, 당신의 산업도 준비됐나요?