전류로 전자 스핀을 제어하는 새로운 메커니즘 발견

- 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.