전자 운동 설명하는 새 이론 나왔다

[아이뉴스24 정종오 기자] 전자 운동을 더 잘 설명하는 새로운 이론이 나왔다. 국내 연구팀이 궤도각운동량 없이 스핀-궤도 상호작용을 설명하는 이론을 제시했다.

전자는 양자역학으로 분석해야 할 정도로 작은 입자인 동시에 상대성이론이 필요할 만큼 빠르기 때문이다. 두 이론의 출발선이 달라 일관된 설명이 어려운 부분이 있는데, 그 간극을 메우는 이론이 물리학 권위지인 피지컬 리뷰 레터즈(Physical Review Letters)에 6월 27일 공개됐다.

울산과학기술원(UNIST) 물리학과 박노정 교수와 연세대 김경환 교수팀은 전자의 ‘스핀’을 고체 속에서 더 정확하게 설명할 수 있는 새로운 이론을 8일 제시하고 나섰다.

전자는 두 가지 회전이 있다. 스핀(Spin)과 궤도각운동량(Orbital Angular Momentum)이다. 스핀을 지구의 자전에 비유한다면 궤도각운동량은 태양을 도는 공전에 비유할 수 있다. 이 스핀과 궤도각운동량은 서로 영향을 주고받는 ‘스핀-궤도 결합’(Spin-Orbital Coupling)을 통해 물질의 자성, 전도성 등을 결정짓는다.

문제는 스핀-궤도 결합이 상대론적 고에너지 영역에서 유도되는 반면, 고체나 반도체처럼 실제 물질을 다루는 환경에서는 낮은 에너지에서의 양자역학이 지배적이라는 점이다.

물질 내에서 스핀-궤도 결합을 연구하려 할 때 두 이론이 서로 다른 전제를 갖고 있어 하나의 계산 틀 안에서 현상을 설명하는 데에는 한계가 있었다. 예를 들어 고체 격자 안에서는 궤도각운동량을 정확히 정의하기도 어렵다.

연구팀은 궤도각운동량을 쓰지 않고 물질 내의 상대론적 효과인 스핀-궤도결합을 설명할 수 있는 새로운 이론을 제안했다. 스핀-격자 상호작용(spin-lattice interaction)이라는 개념을 정의한 것이다.

연구팀은 이 새로운 계산법을 실질적 물리계에 적용해 검증했다. 1차원 도체(Pt 사슬), 2차원 부도체(h-BN), 3차원 반도체(GaAs) 등 다양한 물질에 대해 스핀 분포, 스핀 전류, 자기 반응 등을 기존 방식보다 더 정확하고 효율적으로 예측해낼 수 있음을 확인했다.

공동연구팀은 “양자역학과 상대성이론 사이의 간극에서 비롯되던 계산적 비일관성을 해소한 방식”이라며 “앞으로 스핀트로닉스, 차세대 메모리 반도체 소자 등 스핀 기반 전자 소자 설계에 기초 이론으로 널리 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구(논문명: Relativistic Spin-Lattice Interaction Compatible with Discrete Translation Symmetry in Solids)는 UNIST 김범섭 박사(펜실베니아대 박사후연구원)가 제1저자로 참여했다.