8월 과학기술인상, 정명화 서강대 교수 선정

- 상온 양자역학 스핀 펌핑 현상 세계 최초 발견 

- 스핀트로닉스의 실용 가능성 확장 및 고효율 초저전력 소자 개발에 기여

수상자 정명화 교수 (자료제공: 과기정통부)

과학기술정보통신부(장관 배경훈, 이하 ‘과기정통부’)와 한국연구재단(이사장 홍원화, 이하 ‘연구재단’)은 이달의 과학기술인상 8월 수상자로 정명화 서강대학교 물리학과 교수를 선정했다고 8월 6일 밝혔다.

‘이달의 과학기술인상’은, 최근 3년간 독보적인 연구개발 성과를 창출하여 과학기술 발전에 공헌한 연구개발자를 매월 1명씩 선정하여 과기정통부 장관상과 상금 1천만 원을 수여하는 상으로, 과기정통부 과학기술진흥기금/복권기금의 재원으로 운용된다.

과기정통부와 연구재단은 2025년 ‘세계 양자 과학기술의 해’를 기념하며, 세계 최초로 ‘양자역학적 스핀(spin) 펌핑 현상’을 실험적으로 입증한 정명화 교수를 수상자로 선정했다. 정명화 교수의 연구는 스핀트로닉스(전자의 자기적인 회전을 뜻하는 스핀(spin) 과 전자공학(electronics)의 합성어) 기술의 실용 가능성을 확장하며 차세대 양자소자 및 스핀 기반 반도체 기술의 사고체계(패러다임) 전환을 촉진할 핵심 성과로 평가받고 있다.

스마트폰 등 일상에서 사용되는 전자기기는 전자(electron)의 이동으로 작동한다. 하지만, 전자가 이동할 때 물질 내부의 원자들과 충돌하면서 열이 발생하여 에너지 소모량 증가와 소자 효율 감소의 원인이 되고 있다.

이 같은 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(회전하는 팽이처럼 물체의 회전축이 원형 궤도를 따라 움직이는 현상)을 기반으로 전류를 생성하기 때문에 스핀 흐름의 제어·전달·변환 과정에서 손실이 발생하는 등 에너지 효율이 제한적이라는 한계가 있었다.

정명화 교수는 고전역학적 스핀 펌핑이 지닌 한계를 넘기 위해 스핀의 양자역학적 특성을 정밀하게 활용한 새로운 스핀 생성 방법을 제시했다. 즉, 스핀 방향이 고정된 상태에서 스핀의 ‘크기’가 변화할 때 스핀 전류가 발생하는 ‘양자역학적 스핀 펌핑 현상’에 주목했으며, 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”며 “기초연구는 답이 없는 길을 찾아가는 과정”이라고 평가하면서, 후배연구자들에게 “실패하더라도 포기하지 않고 계속 도전하는 마음과 행동”을 당부했다.

그림 1. 온도가 급격하게 변화하는 순간 (상온) 에 나오는 스핀 전류(스핀 펌핑).

‘철(Fe)-로듐(Rh)’ 물질이 (좌)저온에서의 반강자성 상태에서 (우)고온에서의 강자성 상태로 자기적 상태가 급격하게 변화하는 과정해서 (가운데)상온 부근에서 스핀의 크기가 급격히 변하는 순간에 생성된 ‘스핀 전류’가 인접한 비자성 물질인 백금(Pt)으로 전달되어 유도된 전압을 측정함으로써 스핀 전류를 확인함. (자료제공: 과기정통부)

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]

<자세한 내용은 9월 1일 발행하는 세라믹코리아 2025년 9월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF 전체를 열람하실 수 있습니다.>