나노기술 및 정책 정보

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오사카(大阪)대학 대학원 공학연구과, 물질·재료연구기구, 미국 위스콘신–밀워키(Wisconsin-Milwaukee)대학의 국제 공동 연구그룹이 원자층 결정에 흐르는 전자 자석이 원자핵 주위를 운동하는 전자의 궤도에서 유래하는 것을 세계 최초로 규명함. 전자는 전류를 담당하는 ‘전하’라는 성질과 함께 자석의 성질 ‘전자 자석’도 갖고 있음. 이 전자 자석은 차세대 양자 디바이스 동작의 근간을 담당하는 것으로, 그 제어에 관한 연구는 차세대 고기능 양자 디바이스 구축에 필수적임. 연구진은 원자층 결정 전자 자석의 움직임을 실험적으로 직접 규명할 수 있는 ‘스핀 각도 분해 광전자 분광법’을 이용하여 실리콘 표면 위에 제작한 인듐 2개 층으로 이루어진 원자층 결정의 전자 밴드와 페르미 면(fermi surface)에서의 전자 자석의 방향을 구함. 그 결과, 전자 자석의 방향이 지금까지 생각했던 원자핵 주위의 전자 밀도의 치우침이 아닌, 원자핵 주위의 전자의 궤도 운동으로부터 유래하는 것을 확인함. 전자(前者)는 ‘플레밍의 왼손의 법칙(Fleming's left hand rule)’으로 생각할 수 있음. 한편, 원자핵 주위의 전자의 궤도 운동은 ‘앙페르의 오른쪽 나사의 법칙(Ampere’s right-handed screw rule)’으로 생각할 수 있음. 전자가 원 궤도를 운동하면 원의 중심에 자장이 발생하고 이로 인해 전자 자석의 방향은 전자의 원 궤도의 중심을 관통하는 방향이 됨. 운동하는 궤도를 자유롭게 설계할 수 있으면 전자 자석의 방향을 임의로 바꿀 수 있게 됨. 이러한 전자의 궤도 운동으로부터 유래한 전자 자석의 운동은 지금까지 규명되지 않았던 새로운 메커니즘임. 본 연구 성과는 향후 양자 디바이스 실현을 크게 전진시킬 것으로 기대됨.

본 연구 성과는 ‘Physical Review Letters’ (“Orbital angular momentum induced spin polarization of 2D metallic bands”) 지에 게재됨.