와우댕글의 아이디어 세상

미국 데스 밸리의 수수께끼 바위 자국

미국 캘리포니아 데스 밸리(Death Valley)에는 아주 평탄한 마른 호수, ‘레이스트랙 플라야(Racetrack Playa)’가 있습니다. ‘저절로 움직이는’ 바위들이 있는 곳으로 유명합니다. 인적이라고는 찾아보기 힘든 사막 한 복판에서 바위를 마치 누가 잡아서 끌어당긴 것처럼 길고 선명하게 움직인 자국이 나 있기 때문입니다.

딱딱하게 굳은 땅 위로 바위가 움직인 자국은 긴 직선일 때도 있고, 때로는 둥글게 곡선을 그리기도 합니다. 이 모습이 마치 경주 시합을 하는 것 같다고 해서 ‘레이스트랙 저지대’란 이름이 붙었습니다. 하지만 도대체 어떤 이유로, 무엇이 이 바위를 움직이게 하는지는 오랫동안 미스터리로 남아있었습니다.

그런데 캘리포니아 스크립스 해양연구소의 리처드 노리스 박사팀이 끈질긴 관찰 끝에 그 비밀을 알아냈습니다. 지난 2011년부터 이들은 기상관측장비와 카메라를 갖다놓고 GPS를 이용해 바위의 움직임을 오랫동안 인내심을 갖고 측정해 왔는데, 그 결과 새로운 사실을 발견한 겁니다.

레이스트랙 플라야는 1130미터 고지대에 위치해 종종 얼음이 얼고 눈이 내릴 때가 있습니다. 어떤 때엔 이 딱딱한 표면 위에 고인 물이 얼어붙는데, 때로 이 얼음은 강한 바람 때문에 여러 조각으로 깨지기도 합니다. 연구팀은 이 미끄러운 얼음 조각 위로 바위가 미끄러질 것이라고 생각하고, 실제 그 증거를 찾기로 했습니다.

연구팀은 지난해 12월 얼어붙은 이 사막 호수에 캠프를 차리고 하염없이 기다렸습니다. 바위가 움직이는 순간을 포착하기 위해 추위도 참아가며 인내심을 발휘했지요. 그러던 어느 날, 발견했습니다. 깨진 얼음조각이 바위 옆을 지나치면서 아주 살짝 이 바위를 움직이는 것을 포착한 겁니다. 아주 느린 움직임이어서 눈으로 구별하기가 어려울 정도였지만, GPS 상으로 분명히 바위의 위치가 달라졌습니다.

시간이 지나 낮이 되면서 기온이 올라가자 얼어붙은 얼음이 녹았습니다. 그러자 새로 생긴 ‘경주 시합 자국’이 곳곳에서 드러나기 시작했습니다. 60곳도 더 되는 자국이 발견된 겁니다.



가만 보니 이 바위들은 계속 움직이는 게 아니라, 바람과 얼음의 힘이 바위를 움직일 만큼 충분히 강해졌을 때만 아주 조금씩, 조금씩 움직이는 것으로 나타났습니다. 한참 가만히 있다가 갑자기 충격을 받아 한 발짝씩 움직이는 식입니다. 그리고 이런 움직임이 반복되며 오랜 세월이 흘러 마침내 긴 자국을 이룬 것입니다.

연구팀도 이런 발견이 무슨 과학계에 한 획을 긋는 대단한 업적이 아니라는 건 잘 알고 있답니다. 하지만 이런 약하고 느린 얼음의 힘도 의외로 큰일을 해낼 수 있다고 강조했습니다.
예를 들어 지난 1952년 미국 네바다의 한 호수에서는 얼음 때문에 땅에 박힌 전화선 지지봉이 밀려 뽑혀나가 미국 동서를 연결하는 장거리 전화가 마비되기도 했다면서, 오랜 시간에 걸쳐 커다란 바위를 움직인 것이 결국 약한 얼음의 힘이라는 겁니다.

이런 연구결과를 보면 문득 미국의 과학계가 부러워지곤 합니다. 우리나라 같으면 돈 한 푼 안 나오는 이런 한가해 보이는 연구를 위해 몇날 며칠 추운 사막에서 캠프 치고 앉아 돌덩이 움직이는 거나 보겠다고 한다면, 정신 나간 사람이란 소리 듣기가 십상이니 말입니다.

어제 학술지 ‘플로스 원(PLoS ONE)'에 실린 이 연구가 소개되자 벌써 ’나도 가서 기다려보겠다‘는 사람들의 반응이 나오고 있습니다. 여러모로 대단하다는 생각이 듭니다.

세계관의 변화와 같은 혁명적인 변혁을 지칭할 때 우리는 “패러다임(paradigm)의 변화”와 같은 표현을 쓴다. 여기서 패러다임은 미국의 과학철학자 겸 과학사학자 토머스 쿤(Thomas Kuhn, 1922-1996)이 그의 저서 [과학혁명의 구조](1962)에서 과학의 발전을 설명하기 위해서 도입한 개념이다. 쿤에 의하면 패러다임은 두 가지 특성을 가진 두드러진 과학적 업적이다. 그 하나는 전문 과학자 집단을 끌어 들일만큼 신선하고 전례가 없다는 것이고, 두 번째는 이렇게 구성된 전문가 집단에게 풀 문제를 던져줄 만큼 충분히 열려 있다는 것이다. 일단 어떤 과학자가 이런 업적에 해당하는 패러다임을 제시하고 많은 과학자들이 이를 수용하면, 과학은 쿤이 정의한 정상과학(normal science)의 시기에 진입한다.

정상과학 시기에 패러다임은 과학자 공동체에 공유된 것이며, 이 공동체에 풍부한 자원을 제공한다. 먼저 패러다임은 과학자 공동체를 구성하는 과학자들에게 다양한 문제를 다루고 해결하는 방법을 주며, 어떤 문제가 중요한 문제인지 가이드라인을 제시해 준다. 또 패러다임은 표준적 방법에 의해 중요한 문제를 풀 수 있다는 확신을 주며, 실험과 측정에도 의미를 부여한다. 과학자들은 자신의 관찰과 기존의 이론이 일치하도록 실험과 이론의 정확성을 증진시키고, 더 많은 현상을 설명할 수 있도록 패러다임의 범위를 확장하며, 상수의 값을 더 정확하게 결정하고, 패러다임을 명료하게 하는 수량적 법칙을 수립한다. 이렇게 기존의 패러다임을 완벽하게 하고 측정값을 정교하게 하는 행위가 다름 아닌 정상과학의 퍼즐풀이 활동이다.

쿤에 의하면 정상과학은 새로운 발견을 지향하거나 추구하는 혁신적 활동이 아니다. 정상과학은 기본적으로 패러다임을 완벽히 하려는 보수적 성격의 활동이기 때문이다. 그렇지만 패러다임에 근거한 정상과학이 모든 문제를 잘 해결하는 것은 아니다. 특정한 패러다임에 근거해서는 해결하거나 이해하기 힘든 문제들이 계속 등장하는데, 쿤은 정상과학 시기에 이런 문제들 대부분이 임시방편적인 가설을 도입해서 패러다임과 부합하는 형태로 해결되거나 그렇지 못할 경우에는 무시된다고 주장했다.

이러한 주장은 당시 과학의 합리성을 믿었던 과학철학계에 심대한 도전장을 던진 셈이었다. 쿤 이전에 과학의 본질에 대해 상당한 영향력을 미쳤던 과학철학자 칼 포퍼(Karl Popper, 1902-1994)는 과학이 과감한 가설을 던지고 이를 반증하기 위한 논박이 이어지는 형태로 발전한다고 주장하면서, 어떤 명제가 반증될 수 있다는 반증가능성(falsifiability)이 과학과 비과학을 구별하는 결정적인 잣대라고 주장했다. 그렇지만 쿤에 의하면 패러다임은 근본적으로 반증이 잘 안 되는, 보수적인 관성을 가진 존재였다. 과학자들의 연구는 기존 패러다임에 대한 반증을 노린다기보다, 잘 맞지 않는 변칙 사례를 패러다임에 맞추기 위해 애를 쓰는 활동에 더 가까웠다. 포퍼와 쿤, 그리고 이들의 후계자들은 과학 발전의 본질을 놓고 계속 논쟁했지만 뚜렷한 합의점을 찾지는 못했다.

한, 두개의 변칙이 출현한다고 패러다임이 폐기되는 것은 아니다. 그러나 이런 변칙이 늘어나면서 영향력 있는 과학자들이 이런 변칙을 심각하게 생각하는 단계가 되면 정상과학은 위기의 국면과 과학혁명의 국면으로 접어든다. 과학혁명의 시기에는 오래된 패러다임에서는 이해하기 힘든 변칙을 잘 설명하는 새로운 패러다임이 등장하면서, 신구 패러다임들이 경쟁하게 된다. 그런데 대부분의 과학자들은 오래된 패러다임에 집착하는데, 갓 등장한 새로운 패러다임이 해결할 수 있는 문제보다 오래되고 안정된 패러다임이 해결할 수 있는 문제가 훨씬 더 많아 보이기 때문이다. 새로운 패러다임은 몇 가지 변칙은 잘 설명할 수 있을지라도, 오래된 패러다임의 관점에서 볼 때는 이해할 수 없는 새로운 문제점들을 숱하게 던지기 때문이다.

예를 들어, 지구가 자전과 공전을 한다는 코페르니쿠스의 패러다임은 지구가 우주의 중심에 정지해 있다는 프톨레마이오스의 패러다임이 풀지 못한 몇 가지 전문적인 천문학 문제를 해결했지만, ‘지구가 도는데 왜 쏘아올린 화살은 제자리에 떨어지는가’ ‘지구가 도는데 왜 우리는 그것을 느끼지 못하는가’ 같은 새로운 난제를 제시했다. 따라서 새로운 패러다임이 제시되었다고 해도 대부분의 과학자들은 이를 받아들이는 대신에, 오래된 패러다임이 어떤 방식으로든 변칙을 해결할 수 있으리라는 기대를 가진다.

물론 과학혁명기에 오래된 패러다임을 버리고 새로운 패러다임으로 전환하는 과학자들이 있다. 그러나 이런 전환이 실험적 증거를 비교해서 이루어지는 경우는 거의 없다는 것이 쿤의 생각이다. 앞에서 언급했듯이 신생 패러다임에 비해 오래된 패러다임이 잘 해결하는 문제들이 훨씬 더 많기 때문이다. 쿤은 새로운 패러다임으로 전환하는 소수의 과학자들은 새 패러다임의 미적 단순함 또는 아름다움과 같은 과학외적 요인에 끌렸기 때문이라고 보았다. 이렇게 보았을 때 패러다임의 선택은 심리적 형태전환(gestalt switch) 또는 종교적 ‘개종’과 같으며, 과학혁명 시기에 새로운 패러다임을 선택하는 과학자에게는 과학 내적인 요소들 보다는 철학적, 종교적, 사상적, 미적 요소와 같은 과학 외적인 요소들이 중요한 역할을 한다고 볼 수 있다. 오래된 패러다임과 새로운 패러다임의 차이는 총체적이며 같은 잣대로 평가될 수 없다는 것을 쿤은 ‘공약불가능성’(incommensurability)이라는 개념으로 축약했다. 예를 들어, 쿤은 아리스토텔레스 패러다임과 뉴턴 패러다임 사이에, 혹은 뉴턴 역학과 아인슈타인의 상대성 이론 간에 합리적인 소통을 어렵게 만드는 ‘공약불가능성’이 있다고 주장했다. 쿤의 저서에서 가장 논쟁을 불러일으켰던 점이 바로 이점이었다.

쿤에 의하면 과학의 발전은 과학혁명을 거치면서 과거의 패러다임에서 이것과 공약불가능한 새로운 패러다임으로 건너뛰는 형태로 진행된다. 하나의 정상과학 내에서는 패러다임이 더 완벽해지고, 패러다임을 구성하는 이론과 실험 사이의 오차가 점차 줄어드는 형태로 과학의 진보가 가능하다. 그렇지만 오래된 패러다임과 새로운 패러다임 사이에는 공약불가능성이라는 간극이 존재하고, 이 간극은 실험 데이터의 합리적 비교에 의해서 좁혀질 수 없는 것이기 때문에, 여러 정상과학과 과학혁명의 연속적 과정을 보면 과학이 누적적으로 진보한다고 보기는 힘들다는 것이 쿤의 관점이었다. 쿤에 의하면, 과학은 궁극적인 진리를 향해서 꾸준히 진보하는 인간의 활동이 아니라, 마치 그때그때의 우연적인 상황에 적응하는 종이 살아남는 생물종의 진화와 닮은 발전의 모습을 보인다. 생물종의 진화를 진보라고 평가하기 힘들 듯이, 과학의 발전도 진보라고 평가하기 힘들다는 것이 그의 생각이었다.

쿤의 패러다임은 과학의 발전을 보는 새로운 철학적 관점을 제공했으며, 자연과학에 대한 이해를 넘어 사회과학, 공학, 경제, 정치, 국제관계 등의 변화를 이해하는 새로운 틀을 제공했다. 쿤의 패러다임과 [과학혁명의 구조]는 숱한 논쟁을 불러 일으켰지만, 우리가 과학의 발전을 이해하는 ‘패러다임’에 혁명적인 변화를 불러 일으켰다. 그의 [과학혁명의 구조]는 20세기 하반기 동안 가장 많이 읽히고 인용된 학술서가 되었고, 그의 주장의 많은 부분은 이제 상식이 되었다. 쿤의 영향은 21세기에도 지속될 것이다.

참고문헌 : 토머스 S. 쿤 저, 김명자 번역, [과학혁명의 구조], 까치, 2002; 박은진, [쿤 ‘과학혁명의 구조’](철학 텍스트들의 내용 분석에 의거한 디지털 지식자원 구축을 위한 기초적 연구); 홍성욱, [토머스 쿤의 역사학, 철학, 그리고 과학], [서양사 연구] 33호 (2005년 11월), 139-175.

출처 네이버캐스트

발명의 본질은 과학의 원리를 응용한 것이기 때문에 발명을 하기 위해서는 과학을 이해하여야 한다고 생각합니다. 

그래서 과학의 발전사인 과학이 어떻게 발전하는가를 가져와봤습니다. 발명을 하는데에 있어서도 이러한 패러다임을 이해하는게 중요한 것 같습니다. 

영국의 일간 신문 인디펜던트가 선정한 세상을 바꾼 발명품들입니다. 지금에 와서 보면 당연했던, 시대가 지나가서 안쓰는 물건들이 많이 보이는 것 같네요.

멕시코 남쪽 오악사카주 고산지대에 ‘탈레아 데 카스트로’라는 지역이 있습니다. 아메리칸 인디언인 사포텍족이 모여 사는 마을입니다. 이 마을 사람들은 지난해까지만 해도 전화를 쓰려면 ‘카세타’라는 전화방에 가야 했습니다. 전화요금도 아주 비쌌습니다. 5분 정도 통화하려면 하루 임금을 다 써야 할 정도였으니까요. 게다가 전화방에는 사람이 늘 많아서 줄을 서서 한참 기다려야 했습니다. 그뿐인가요. 오래 통화하는 게 눈치가 보이는데다, 통화 내용도 주변 사람에게 다 새나가서 사생활을 지키기가 어려웠습니다.

카세타로 걸려온 전화를 받는 건 더 어려운 일이었습니다. 사람들은 전화가 왔다는 소식을 들으면 부리나케 뛰어갔습니다. 전화를 받을 사람이 멀리 있을 땐, 전화방 심부름꾼이 동네방네 돌아다니며 누구한테 이런 전화가 왔었노라고 알려야만 했지요.

그런데 대체 이 마을 사람들은 왜 이렇게 불편하게 지냈냐고요? 멕시코에 휴대폰을 공급하는 회사나 통신 기술이 없어서 그런 건 아니었습니다. 이동통신사가 기지국 설치를 거절했기 때문입니다. 탈레아 마을 주민이 5천명이 되지 않는다는 이유로 말이죠. 한마디로 돈 안 되는 일에는 관심 없다는 말씀! 참다못한 탈레아 주민들은 십시일반 돈을 모아 마을을 위한 통신사를 ‘직접’ 만들었습니다.

☞‘탈레아 데 카스트로’ 멕시코 마을 이야기 동영상 보기

“산속에 있는 작은 토착마을에 셀룰러 서비스가 생겼습니다. 예전에는 생각도 못했던 일이었는데,
이젠 이런 일이 가능하다는 걸 직접 보고 있습니다.
이제 휴대폰만 있으면 누구든지 아주 저렴한 가격에 전화를 쓸 수 있게 됐어요.”

2013년 3월, 마을회의가 열렸습니다. 주민들이 모여 투표를 했고 약 3만달러, 우리돈 3500만원 정도 되는 돈을 투자했습니다. 모은 돈은 대부분 안테나와 기지국 전파 수신기를 만드는 데 썼습니다. 그리곤 6개월 만에 ‘탈레아 이동통신(Red Cellular de Talea)’이라는 통신사를 만들어냈지요. 덕분에 720명이 넘는 마을 사람들이 자유롭게 쓸 수 있는 개인 전화를 갖게 됐습니다.

탈레아 이동통신의 통신요금은 아주 저렴합니다. 기본요금은 한 달에 1.2달러 정도. 지역내에서 하는 통화는 공짜이고, 국제전화는 1분에 1.5센트, 우리돈으로 15원 정도 입니다. 통신망을 근처에 있는 무선인터넷 공급업체와 연결해 스카이프나 매직잭을 휴대폰 버전으로 사용할 수도 있습니다.덕분에 인기 폭발입니다. 마을 사람들은 소중한 탈레아 이동통신을 마을 공공재로 잘 지키기 위해 5분 이상은 통화를 하지 않기로 약속까지 했습니다.

정부가 통신망을 지원해 준 것도 아니고 대형 통신사가 나선 것도 아닌데, 어떻게 이런 놀라운 일이 일어났을까요? 바로 2G 통신기술을 상업용 오픈소스로 공개한 레인지네트웍스 덕분입니다.

▲ OpenBTS.org -이번 봄에 4.0버전이 공개됐다. 깃허브에서 ‘오픈BTS4.0′을 내려받을 수 있다.

샌프란시스코에 있는 레인지네트웍스는 2세대 통신기술 중 하나인 GSM을 활용해 통신망 설비를 할 수 있는 기술을 오픈소스로 공개했습니다. 이름은 ‘오픈BTS’입니다. 레인지네트웍스는 오픈BTS로 기지국을 만들 수 있는 장비도 개발했습니다. 장비는 작고 가벼워 옮기기도 쉽습니다. 나무에 매달아둘 수도 있고요. 레인지네트웍스는 기술지원 프로그램이 포함된 개발자키트도 판매하고 오픈BTS 교육을 진행하기도 합니다.

▲인도네시아 파푸아에 설치힌 기지국. 나무 위에 매달았다. (사실 이건 불법이라고.)

통신기술의 혜택을 누리지 못하는 사람들에게 가장 먼저 필요한 건 전화 통화와 짧은 문자메시지입니다. 그래서 우선은 2G 기술을 사용했지만 레인지네트웍스는 LTE 기술까지 공개하는 것을 목표로 하고 있습니다.

레인지네트웍스는 대형 통신사가 서비스를 하지 않기로 선언한 지역에서 마을을 위한 작은 통신사를 만드는 일에 직접 참여하기도 합니다. 앞서 말한 멕시코 탈레아 마을에서도 큰 힘을 보탰지요. 인도네시아 파푸아 산악지대와 아프리카 잠비아, 심지어 남극에도 진출했습니다. 다른 사람의 도움이 필요한 경우에는 대학 연구소나 NGO, 각국 정부의 도움을 받기도 합니다. 파푸아에 기지국을 만들 땐 UC버클리대학 연구팀이 도왔고, 멕시코에서는 멕시코연방이동통신국의 허가도 받아냈습니다. 비록 ‘까다로운’ 테스트를 거치느라 2년이란 시간이 걸리긴 했지만 말이죠.

레인지네트웍스는 외딴 곳에 사는 사람이나 직업 특성상 깊은 자연속에서 일해야 하는 사람이 고립되지 않도록 돕기 위해 이런 일을 시작했습니다. 통신 기술과 서비스 권한을 갖고 있는 독과점 기업의 탐욕을 막고자 하는 뜻도 있습니다. 다비드 버게스 레인지네트웍스 CEO는 통신사들이 진출하기를 꺼리는 지역에 한해서는 통신망이나 설비 권한을 빌려주면 더 좋은 일이 생길거라고 말하기도 했습니다. 마을공동체나 비영리단체, 아니면 네트워크를 만들고 싶어하는 개인이 직접 나설 수 있으니까요.

오픈BTS는 무료로 공개돼 있는 만큼, 누구나 내려받을 수 있습니다. 레인지네트웍스는 개발자키트를 사용하면 전화 통화와 문자메시지를 주고받을 수 있는 자기만의 네트워크를 금방 만들 수 있다고 하는데, 국내에선 힘깨나 써야 할 일일지도 모르겠습니다. 오는 8월엔 레인지네트웍스 트레이닝 행사도 열립답니다. 관심이 있다면 샌프란시스코에서 멋진 여름휴가를 계획해보는 건 어떨까요?

출처 bloter.net

우리나라는 이런 기술이 있어도 통신사 독점체제와 방송통신위원회가 있어 쉽게 이통사를 설립할 수는 없을 것 같아 보이네요. 하지만 이런 기술이 오픈 소스로 공개되었다니 놀랍군요. 그렇지만 스마트폰이 보급화되어있어서 전화와 문자같은 가장 기본 기능만이 아니라 인터넷 기능도 필요할 것 같습니다.

실현가능성이 없군요. 뭐 노아의 방주라는 것도 믿지는 않지만..

- 양자 위상을 이용한 자화 제어 / 전류와 스핀 궤도 상호작용에서 자화 제어 메커니즘의 포괄적 이해에 도전 / 자화 제어 프로세스가 양자 역학적 위상에 기인하고 있는 것을 실증 / 양자 위상에 주목한 재료 탐색이나 새로운 스핀 메모리 응용에 기대 - 

JST 과제 달성형 기초 연구의 일환으로서 캠브리지 대학(University of Cambridge) 연구팀은 고체 내에 전류를 흘리는 것으로 전자 스핀을 제어할 수 있는 `스핀 궤도 상호작용(주 1)`으로 새로운 자화 제어 메커니즘을 발견하였다. 

전자 디바이스의 저소비 전력화와 소형화를 위해서 전자 스핀을 전류 등으로 제어하여 자석(자화)의 방향을 바꾸는 새로운 메커니즘의 연구가 전 세계에서 활발하게 진행되고 있다. 그 중에서 스핀 궤도 상호작용을 사용한 자화 제어의 메커니즘이 5년 전에 발견되었지만 어떠한 프로세스로 발현하고 있는지 자세한 것은 해명되고 있지 않았다. 

이번에 국제적 공동 연구팀은 희박 자성 반도체 갈륨 망간 비소(주 2)(GaMnAs)에 착안하여 상세 실험을 실시한 결과 스핀 궤도 상호작용을 사용한 자화 제어 메커니즘에 지금까지 별로 중요시되어 오지 않았던 전계에 의한 파동 관수의 변화, 구체적으로는 양자 역학적 위상에 근거하는 효과가 존재하는 것을 처음으로 찾아내었다. 이것에 의해 양자 역학적 위상이 스핀 메모리 등을 지원하는 자화 제어에 이용 가능하다는 것이 실증되었다. 

이러한 새로운 자화 제어 메커니즘은 다른 재료계에도 응용될 수 있다고 기대된다. 지금까지 별로 주목받지 않았던 양자 위상에 주목한 재료 탐색 그리고 재료 물성 평가라는 방향성이 제시할 수 있다. 양자 역학적 위상을 이용하여 저 전력으로 자화를 제어할 수 있는 재료가 발견되면 일렉트로닉스에 혁신을 가져오는 스핀 메모리 등에서의 응용을 기대할 수 있다. 

전자는 미소한 자석으로서 작동하는 것으로 이전부터 알려져 있다. 20세기를 석권한 반도체 공학은 기본적으로 이러한 전자 스핀인 자석의 특성을 활용하지 않고 구축되어 지금의 정보화 사회를 이루고 있다. 그러나 이러한 발전에도 한계가 보여 20세기 말부터 혁신적인 전자 정보 디바이스를 제작하기 위하여 전자 스핀을 적극적으로 도입하는 움직임(스핀트로닉스)이 활발하게 되어 현재 스핀이 관련된 다양한 고체 물리 현상이 발견되었고 그 응용 기술 구축이 활발하게 연구되고 있다. 

스핀트로닉스 디바이스를 실현하기 위해서는 여러 가지 해결해야 할 문제점이 있다. 특히 전자 스핀을 정확하게 제어하는 기술을 확립할 필요가 있다. 전자 스핀은 자기적인 물리량이기 때문에 제어를 하기 위해서는 자장이 필요하다. 그러나 디바이스 응용을 고려하면 외부 자장을 이용하여 전자 스핀을 제어하는 것은 어렵고 현재 전류(또는 전압)를 보내는 것으로 유효 자장을 만들어 자화를 제어하는 다양한 방법이 연구되고 있다. 

이러한 점을 해결하기 위한 한 가지 후보로서 전자 스핀과 전자의 운동과의 사이의 상호작용(스핀 궤도 상호작용)에 기인한 기구가 최근 발견되었다. 이것은 고체에(결정 또는 구조) 공간 반전 대칭성의 파괴(주 3)가 존재했을 때 전류를 보내는 것만으로 스핀 궤도 상호작용에 의해 전도전자에 스핀이 생성되어(<그림 1>) 그것을 유효 자장으로서 사용하여 자화 방향을 제어하는 것이다. 스핀 궤도 상호작용은 결정 구조나 시료 구조에 매우 민감하고 현대의 재료 제작 기술이나 나노테크놀로지를 구사할 수 있는 절호의 무대를 제공하기 때문에 자화 제어 방법으로 큰 가능성을 가지고 있다고 할 수 있다. 

그러나 2009년에 발견된 이 스핀 궤도 상호작용을 이용한 자화 제어 현상은 여전히 해명되지 않는 부분이 많이 존재하고 있다. 지금까지 전류에 의해 스핀을 만들 수 있는 것은 사실로서 알려져 있었지만 상세한 프로세스를 명확하게 한 보고는 없었다. 따라서 얻을 수 있던 실험 결과를 현상론을 사용한 모델에 의지하여 이해하지 않을 수 없어 상세한 데이터 해석이나 재료 설계의 지침을 가능하게 하기 위해서는 보다 구체적인 전자 상태 레벨의 정보를 포함한 기구 해명이 급선무였다고 한다. 

이번 연구에서는 스핀 궤도 상호작용이 고체에서 생성된 유효 자장을 정밀하게 측정할 수 있는 실험 방법과 고체의 전자 상태로부터 그 유효 자장을 계산하는 이론을 조합함으로써 그 발현 기구의 상세하게 실시하였다. 사용한 재료는 희박 자성 반도체 갈륨 망간 비소(GaMnAs)로 본 재료를 선택한 주된 이유는 금속 등에 비교하여 전기 전도에 기여하는 전자 상태가 비교적 단순하여 이론 계산으로 취급하기 쉽고 그 결정 구조 자체가 반전 대칭성을 무시할 수 있기 때문에 계면 등을 필요로 하지 않는 벌크 효과로서 실험 결과가 취급하기 쉬워 결정 방위 의존성 등의 실험의 자유도가 있기 때문이다. 이러한 점들을 최대한 이용하여 유효 자장의 결정 방위 의존성의 대칭성을 사용하는 것으로 결정 구조에만 의존하는 성분을 논의하는 것이 가능하게 되어 매우 깨끗한 실험 상황을 구비할 수 있다. 따라서 스핀 궤도 상호작용을 이용한 자화 제어의 발현 기구 해명을 달성하기 위해서 최적인 재료로 간주할 수 있다. 

본 연구에서는 GaMnAs를 자성을 나타내는 저온까지 냉각시켜 GaMnAs 시료에 마이크로파 전류를 흘리는 것으로 자기 공명(주 4) 상태를 생성한다. 자기 공명 상태가 일어나면 GaMnAs 시료 내에 전압이 발생하는 것(<그림 2>)이 알려져 있고 이 전압의 결정 방위 의존성을 중심으로 조사하는 것으로 상술의 유효 자장의 크기와 방향을 분류할 수 있다. 연구 그룹은 GaMnAs 내에서 발생하는 유효 자장의 이론 계산을 실시하였다. 실험 데이터와 수치 계산 결과를 비교한 결과 실험으로 얻을 수 있던 GaMnAs 내에서 발생하는 유효 자장에 지금까지 주목되고 있지 않았던 내인성(內因性) 발현 기구로부터 발생되는 성분이 있는 것을 발견하였다. 이 기구는 고체를 전자가 운동할 때 반드시 일어나는 불순물 등에 의한 전자 산란에 의한(외인성 발현) 기구와는 달리 각각의 `산란`에 일어나는 전자 스핀 상태의 변화에 기인하는 것이다(<그림 3> (상)). 이번 실험에서는 이러한 스핀 상태는 시료막에 대해 면직 방향(z방향)으로 발생하도록 측정 환경을 설계하였다. 

전류 유기(誘起) 자화 제어에 대해 이러한 내인성 모델이 실증된 것은 처음으로 학술적으로도 매우 중요하다. 또한 이러한 내인성 모델은 스핀 궤도 상호작용에 의해 전자의 파수 공간 안에서 발생하는 스핀 구조에 기인하는 양자 역학적 위상(베리(Berry) 위상(주 5))으로 이해할 수 있다. GaMnAs 중의 베리 위상의 존재는 이상(異常) 홀 효과의 연구로부터도 알려져 있었지만 베리 위상이 전기 전도뿐만 아니라 자화 제어에도 크게 기여하는 것은 이번 처음으로 밝혀내었다. 21세기 초부터 고체 중의 실공간이나 파수 공간의 스핀 구조로부터 발현하는 베리 위상이 주목받기 시작하고 있어 본 연구 결과도 그 일례로서 취급할 수 있다. 

이번에 얻을 수 있던 결과에 의해 스핀 궤도 상호작용을 이용한 자화 제어 메커니즘의 미시적 이해가 달성되었다. 이러한 이해가 GaMnAs 이외의 재료계에도 적응 가능한지를 검증하는 것이 다음 과제라고 한다. 또한 검증과 동시에 고성능 차세대 스핀 메모리를 실현하기 위한 재료 발견이 큰 과제이다. 재료 탐색 연구에 있어서 이번 얻을 수 있던 결과는 매우 큰 도움이 될 것으로 기대할 수 있다. 향후 본 기구를 극대한화한 꿈의 재료가 발견되면 컴퓨터 내에서 사용되는 에너지양을 경감하는 스핀 메모리가 탄생할 가능성이 있다고 한다. 

(주 1) 스핀 궤도 상호작용 
전자가 내재적으로 가지고 있는 스핀 각운동량과 궤도 각운동량과의 상호작용으로 이러한 상호작용에 의해 고체 중의 전자 수송이 스핀 상태에 의존하여 거기로부터 스핀 자유도를 이용한 다양한 현상이 일어난다. 
(주 2) 갈륨 망간 비소(Ga1-xMnxAs) 
기존 일렉트로닉스 재료인 III-V족 화합물 반도체 GaAs(갈륨비소)를 모체로 하여 Ga 원자를 자성 원자의 Mn 원자로 치환하는 것으로 자석의 특성을 유기시킨 재료. 
(주 3) 공간 반전 대칭성의 파괴 
좌표(x, y, z)에 있는 점을 좌표(-x, -y, -z)로 옮기는 조작을 실시했을 때 조작 전의 결정과 일치하지 않는 것. 
(주 4) 자기 공명 
외부 정자장(靜磁場)에 있는 자기모멘트가 고유 주파수의 전자파와 상호작용하는 공명 현상. 
(주 5) 베리 위상 
파라미터 공간 상 물리량의 기하학적 구조로부터 발생하는 양자 역학적 위상. 

<그림 1> 스핀 궤도 상호작용에 의한 전자 스핀 생성(공간 반전 대칭성의 파괴가 있는 재료에 전류를 흘리면 스핀 궤도 상호작용에 의해 원래 갖추어져 있지 않았던 전도 캐리어(전자나 홀)의 스핀이 정렬되기 시작한다. 이러한 현상은 원래 전자의 스핀이 어느 정도 정렬되어 있는 자석에도 발생하고 이 전류에 의해 생성된 전자 스핀을 사용하여 자석(자화)의 방향을 제어할 수 있다. 
<그림 2> 자기 공명이 발생하는 GaMnAs의 전압 측정(기가 헤르츠(GHz)대의 교류 전류를 GaMnAs에 직접 흘리면 스핀 궤도 상호작용에 의해 같은 주파수대의 유효 자장이 발생한다. 이 때 특정의 직류 자장을 주면 자기 공명이라는 자화의 세차운동이 발생한다. 이러한 세차운동과 자기 저항 효과에 의해 저항도 시간의 함수로서 진동하게 되어 전류와의 적(積)에 의해 직류 전압이 발생한다.) 
<그림 3> (상) 파수(波數) 공간에 있어서의 페르미 준위의 전자 스핀 방향과 그 전계 의존성 / (하) 스핀 궤도 상호작용이 발생하는 유효 자장의 시료 방향과 각도 의존성 

출처 KISTI 미리안 『녹색기술정보포털』

자기력의 원인이 되는 전자스핀을 전류로서 조절한다니 놀라운 발견이네요. 다양한 응용기술이 나올 수 있을 것으로 기대됩니다.