과학자들이 자석 없이 전자를 제어하는 ​​방법을 발견했습니다.

온도 구배에 노출된 석영 결정은 주변 전자 환경에 궤도 각운동량을 발생시킨다. (사진 제공: 노스캐롤라이나 주립대학교)

컴퓨팅 수요가 급증함에 따라 과학자들은 방대한 양의 데이터를 처리하는 더 효율적인 방법을 찾기 위해 양자 세계를 탐구하고 있습니다. 그중에서도 유망한 분야는 오비트로닉스(orbitronics)로, 원자핵 주위를 도는 전자의 운동, 즉 궤도 각운동량을 이용하여 정보를 더욱 효율적으로 전달하고 저장하는 데 초점을 맞추고 있습니다. 전통적으로 이러한 운동을 제어하기 위해서는 철과 같은 자성 물질이 필요했는데, 이는 무겁고 비용이 많이 들며 실용적인 장치에 적용하기에는 규모가 크다는 단점이 있습니다.

새로운 연구에서는 전자의 궤도 운동을 생성하는 훨씬 간단한 접근 방식을 제시했습니다. 핵심은 키랄 포논을 중심으로 하는 새로운 물리학 분야에 있습니다.

키랄 포논이 획기적인 발전을 제시합니다

연구진은 최초로 키랄 포논이 비자성 물질 내 전자에 직접 궤도 각운동량을 전달할 수 있음을 입증했습니다. 이 발견은 오랫동안 궤도전자공학의 발전을 가로막아 온 주요 제약을 해소하는 데 기여합니다.

"기존에는 궤도 전류를 생성하기 위해 특정 전이 금속에 전하 전류를 주입해야 했는데, 이러한 금속들은 대부분 중요 물질로 분류됩니다."라고 노스캐롤라이나 주립대학교 물리학자이자 이번 연구의 공동 저자인 달리 선은 말했다. "궤도 각운동량을 생성하는 다른 방법들도 있지만, 이 방법은 더 저렴하고 풍부한 재료를 사용할 수 있게 해줍니다."

"자석도 필요 없고, 배터리도 필요 없고, 전압을 사용할 필요도 없습니다. 키랄 포논을 가진 물질만 있으면 됩니다."라고 유타대학교 물리학 및 천문학과 석좌교수이자 이번 연구의 공동 저자인 발리 바르데니는 덧붙였습니다. "이전에는 상상도 할 수 없었던 일입니다. 이제 우리는 말하자면 새로운 분야를 창조했습니다."

이번 연구는 노스캐롤라이나 주립대학교가 주도했으며, 유타 대학교를 비롯한 여러 기관이 참여했고, 네이처 피직스(Nature Physics) 저널에 발표되었습니다 .

키랄성과 원자 운동 이해하기

이러한 발전은 원자의 배열 방식과 물질 내부에서의 움직임에 기반합니다. 고체에서 원자는 촘촘하게 배열된 격자 구조를 형성합니다. 금속과 같은 많은 물질에서 이러한 구조는 대칭적이므로 거울상이 완전히 동일합니다.

키랄 물질은 일반 물질과 다릅니다. 석영과 같은 물질에서는 원자들이 나사산처럼 나선형으로 배열되어 있습니다. 이러한 구조는 좌우 대칭으로 꼬여 있으며, 거울상과 겹쳐질 수 없는 고유한 꼬임을 가지고 있습니다. 사람의 손은 키랄성의 간단한 예입니다.

고체 내 원자는 정지해 있지 않고 제자리에서 진동합니다. 대칭 구조의 물질에서는 이러한 진동이 주로 좌우로 움직입니다. 키랄 구조의 물질에서는 비틀린 구조 때문에 원자들이 원형 또는 나선형 패턴으로 움직입니다.

키랄 포논이 에너지를 전달하는 방식

이러한 진동은 포논이라고 알려진 집합적인 파동의 형태로 물질을 통해 전달될 수 있습니다. 키랄 물질에서는 이러한 파동이 원형 운동을 하며 키랄 포논을 형성합니다. 이를 이해하기 쉽게 설명하자면, 콘서트에서 한 사람이 몸을 흔들기 시작하면 그 움직임이 군중 전체로 퍼져나가는 것과 같은 상황을 떠올릴 수 있습니다.

원자들이 원형 궤도를 따라 움직이기 때문에 각운동량을 가지고 있습니다. 연구진은 이러한 운동 에너지를 기존의 자기적 방법을 사용하지 않고도 전자에 직접 전달하여 궤도 각운동량을 부여할 수 있음을 보여주었습니다.

석영이 숨겨진 자기적 효과를 드러낸다

전자는 음전하를 띠기 때문에 일반적으로 전자의 운동에 영향을 주려면 자기장이 필요합니다. 하지만 석영은 놀라운 장점을 제공합니다. 석영은 가볍고 저렴하며, 키랄 포논이 자체적으로 내부 자기 효과를 발생시킵니다.

유타대학교 과학자들이 플로리다에 있는 국립 고자기장 연구소의 특수 장비를 사용하여 석영의 자성을 처음으로 직접 측정했습니다. 그들은 석영에 레이저를 비추고 반사된 빛의 색, 파장 등의 변화를 연구함으로써 석영의 키랄 포논이 상당한 자기장을 생성한다는 것을 확인했습니다.

"물질 자체는 자성을 띠지 않지만, 키랄 포논의 존재는 우리가 활용할 수 있는 자기적 지렛대를 제공합니다."라고 유타대학교 박사 과정생이자 논문의 공동 저자인 리카드 보딘은 말했습니다. "궤도 시벡 효과와 같은 발견에 대해 이야기할 때, 당장 여러분의 TV가 이 효과로 작동할 거라고는 말할 수 없지만, 이는 우리가 새로운 일을 할 수 있도록 활용할 수 있는 더 많은 지렛대를 만들어내는 것입니다. 이제 이 효과가 발견되었으니, 누군가 이를 더욱 발전시켜 나가면 어느새 우리 주변 어디에나 존재하게 될 것입니다. 기술은 그렇게 발전하는 것입니다."

포논 정렬을 통한 전자 흐름 유도

정상적인 조건에서 키랄 포논은 다양한 에너지 준위를 가진 좌수 및 우수 상태가 혼합된 형태로 존재합니다. 연구진은 자신들의 개념을 검증하기 위해 자연적으로 키랄 구조를 가진 결정인 α-석영을 사용했습니다. 자기장을 가함으로써 이러한 포논들을 정렬시킬 수 있었습니다.

충분한 수의 포논이 정렬되면 외부 자기장이 제거된 후에도 포논의 집단적인 운동이 전자로 전달됩니다. 이는 궤도 각운동량의 흐름을 생성하며, 연구팀은 이를 전자의 스핀에 영향을 미치는 스핀 시벡 효과에서 영감을 받아 '궤도 시벡 효과'라고 명명했습니다.

이 효과를 감지하기 위해 과학자들은 알파 석영 위에 금속(텅스텐과 티타늄)을 겹겹이 쌓았습니다. 이 장치를 통해 평소에는 보이지 않던 궤도 운동을 측정 가능한 전기 신호로 변환할 수 있었습니다.

보다 효율적인 전자 장치를 향하여

이 접근법은 석영에만 국한되지 않습니다. 텔루륨, 셀레늄, 유기/무기 혼합 페로브스카이트와 같은 다른 키랄 물질에도 적용할 수 있습니다. 기존 방법에 비해 필요한 재료가 적고 궤도 운동이 훨씬 더 오랫동안 지속될 수 있습니다.

이러한 단순성, 효율성 및 확장성의 조합은 궤도 전자공학을 미래 기술에 더욱 실용적인 선택지로 만들어 줄 수 있으며, 잠재적으로 더 빠르고 에너지 효율적인 장치를 개발하는 데 기여할 수 있습니다.

이번 연구에는 노스캐롤라이나 주립대학교, 유타 대학교, 난징 사범대학교, 공군 연구소, 워싱턴 대학교, 노스캐롤라이나 대학교 채플힐 캠퍼스, 국립 고자기장 연구소, 일리노이 대학교 어바나-샴페인 캠퍼스, 사우스캐롤라이나 대학교, 펜실베이니아 주립대학교 등 여러 기관의 연구진이 폭넓게 협력했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2026/04/260417224509.htm