레이저는 금, 구리, 알루미늄의 숨겨진 면을 밝혀냈습니다.

연구진은 청색 레이저와 스마트 변조만을 사용하여 구리나 금과 같은 금속에서 나오는 희미한 자기 신호를 마침내 "듣는" 데 성공했습니다. 이는 1800년대 이후 과학계에서 찾아보기 어려웠던 현상입니다. 사진 제공: 파스 로스

과학자 팀이 구리, 금, 알루미늄과 같은 흔한 금속에서 미묘한 자기 신호를 감지하는 강력한 신기술을 개발했습니다. 빛과 기발한 기술만으로 가능합니다. 최근 권위 있는 학술지 Nature Communications에 게재된 이 연구는 스마트 폰 부터 양자 컴퓨팅에 이르기까지 모든 분야의 발전을 위한 길을 열 것으로 기대됩니다.

오래된 수수께끼: 왜 우리는 광학 홀 효과를 볼 수 없는가?

한 세기가 넘게 과학자들은 전류가 자기장 내에서 휘어진다는 사실, 즉 홀 효과라는 현상을 알고 있었습니다. 철과 같은 자성체에서는 이 효과가 강하고 잘 알려져 있습니다. 그러나 구리나 금과 같은 일반적인 비자성 금속에서는 이 효과가 훨씬 약합니다.

이론상으로는, 관련 현상인 광학 홀 효과가 과학자들이 빛과 자기장이 상호작용할 때 전자의 거동을 시각화하는 데 도움이 될 것입니다. 하지만 가시광선 파장에서는 이 효과가 너무 미묘해서 감지하기 어려웠습니다. 과학계는 이 효과가 존재한다는 것을 알고 있었지만, 측정할 도구가 부족했습니다.

"수십 년 동안 시끄러운 방에서 속삭임을 들으려고 애쓰는 것과 같았습니다."라고 아미르 카푸아 교수는 말했습니다. "모두가 그 속삭임이 있다는 것을 알고 있었지만, 그 소리를 들을 만큼 민감한 마이크가 없었습니다."

코드 해독: 보이지 않는 것에 대한 자세한 조사

히브리 대학교 전기공학 및 응용물리학 연구소의 박사과정생인 나다브 암 샬롬과 아미르 카푸아 교수가 주도하고, 펜실베이니아 주립 대학교 바이츠만 과학 연구소의 빙하이 얀 교수, 맨체스터 대학교의 이고르 로잔스키 교수와 협력하여 진행한 이 연구는 물리학의 까다로운 과제인 자성이 없는 물질에서 작은 자기 효과를 감지하는 방법에 초점을 맞췄습니다.

"구리나 금 같은 금속은 자기적으로 '조용하다'고 생각할 수도 있습니다. 철처럼 냉장고에 달라붙지 않으니까요."라고 카푸아 교수는 설명했습니다. "하지만 실제로 적절한 조건에서는 자기장에 반응합니다. 다만 매우 미묘하게 반응할 뿐입니다."

이러한 미세한 효과를 어떻게 감지할 수 있을지가 항상 과제였습니다. 특히 레이저 광원을 쉽게 구할 수 있는 가시광선 스펙트럼의 빛을 사용하는 것이 더욱 그렇습니다. 지금까지는 신호가 너무 약해서 관측할 수 없었습니다.

자기 속삭임의 볼륨을 높이다

이 문제를 해결하기 위해 연구진은 자기광학 커 효과(MOKE)라는 방법을 업그레이드했습니다. 이 방법은 레이저를 사용하여 자기가 빛의 반사를 어떻게 변화시키는지 측정합니다. 마치 어둠 속에서 고출력 손전등으로 표면의 희미한 반짝임을 포착하는 것과 같습니다.

440나노미터 청색 레이저와 외부 자기장의 대진폭 변조를 결합함으로써, 그들은 이 기술의 감도를 획기적으로 향상시켰습니다. 그 결과, 구리, 금, 알루미늄, 탄탈륨, 백금과 같은 비자성 금속에서 자기 "에코"를 포착할 수 있었는데, 이는 이전에는 거의 불가능했던 것으로 여겨졌던 업적입니다.

중요한 이유: 소음이 신호가 되는 경우

홀 효과는 반도체 산업과 원자 단위 물질 연구에 있어 핵심적인 도구입니다. 과학자들이 금속에 얼마나 많은 전자가 있는지 알아내는 데 도움을 줍니다. 하지만 전통적으로 홀 효과를 측정하려면 소자에 아주 작은 전선을 물리적으로 연결해야 하는데, 이는 특히 나노미터 크기의 부품을 다룰 때 시간이 많이 걸리고 까다로운 과정입니다. 그러나 새로운 접근법은 훨씬 간단합니다. 전선 없이 전기 소자에 레이저만 비추면 됩니다.

더 깊이 파고든 결과, 연구팀은 신호에서 무작위적인 "잡음"처럼 보이는 것이 전혀 무작위적이지 않다는 것을 발견했습니다. 오히려, 이는 스핀-궤도 결합이라는 양자 특성과 관련된 명확한 패턴을 따르는 것으로 나타났습니다. 스핀-궤도 결합은 전자의 운동 방식과 스핀 방식을 연결하는 것으로, 현대 물리학의 핵심적인 특성입니다.

이러한 연결은 재료 내에서 자기 에너지가 소산되는 방식에도 영향을 미칩니다. 이러한 통찰력은 자기 메모리, 스핀트로닉스 소자, 심지어 양자 시스템의 설계에도 직접적인 영향을 미칩니다.

"라디오의 잡음이 단순한 간섭이 아니라 누군가 귀중한 정보를 속삭이는 것임을 발견하는 것과 같습니다." 박사 과정생 암 샬롬은 말했다. "이제 우리는 빛을 이용하여 전자가 보내는 이 숨겨진 메시지를 '듣고' 있습니다."

미래를 내다보며: 스핀과 자기에 대한 새로운 창

이 기술은 거대한 자석이나 극저온 조건 없이 금속의 자성을 탐구할 수 있는 비침습적이고 고감도의 도구를 제공합니다. 이 기술의 단순성과 정밀성은 엔지니어들이 더 빠른 프로세서, 더 에너지 효율적인 시스템, 그리고 전례 없는 정확도의 센서를 개발하는 데 도움이 될 것입니다.

카푸아 교수는 "이 연구는 거의 150년 된 과학적 문제를 새로운 기회로 바꿔줍니다."라고 말했습니다.

흥미롭게도, 홀 효과를 발견한 가장 위대한 과학자 에드윈 홀조차도 빛줄기를 이용하여 그 효과를 측정하려 했지만 실패했습니다. 그는 1881년 그의 유명한 논문 마지막 문장에서 이렇게 요약합니다. "은의 작용 강도가 철의 작용 강도의 10분의 1 정도였다면 그 효과가 감지되었을 것이라고 생각합니다. 그러나 그러한 효과는 관찰되지 않았습니다." (E. Hall, 1881)

"적절한 주파수에 주파수를 맞추고 어디를 봐야 할지 아는 덕분에, 한때는 보이지 않는다고 생각했던 것을 측정할 수 있는 방법을 찾았습니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/07/250718031227.htm