▲ 3차원 물질, 2차원 물질, 1차원 물질에서 기존 이론과 새롭게 유도한 스핀 격자 상호작용의 비교 / 기존 이론은 스핀과 궤도각운동량(orbital)의 내적을 기반으로 한 스핀-궤도 상호작용이며, 고체에서의 궤도각운동량은 다양한 근사에 의존해 정의되기 때문에 다소 불완전한 면이 있다.이번 연구에서는 고체의 이동 대칭성을 그대로 유지하면서 상대론적 효과를 설명할 수 있는 새로운 항 를 도입했다. 그림 (g), (h), (i)는 항의 물리적 타당성을 보여주는 결과다. 궤도각운동량이 비교적 흠결 없이 잘 정의되는 1차원 물질의 경우와 기존 궤도각운동량 ()이 동일한 항이 된다. 반면, orbital의 정의가 애매한 2차원 및 3차원 물질에서는 가 더 잘 정의되고, 물리적으로도 더 일관된 특성을 나타내는 우수한 물리량임을 확인할 수 있다.(그림 및 설명=UNIST)  © 특허뉴스

"신은 주사위를 던지지 않는다"는 아인슈타인의 말처럼, 상대성이론과 양자역학은 서로 다른 관점에서 우주의 근본 원리를 설명해왔다. 특히 전자의 움직임을 다루는 데 있어 이 두 거대한 이론 사이의 간극은 물리학자들의 오랜 숙제였다. 하지만 UNIST 박노정 교수와 연세대학교 김경환 교수 연구팀이 이 간극을 메울 혁신적인 전자 운동 설명 새 이론을 제시하며 물리학계에 큰 파장을 예고했다. 이 연구 결과는 물리학 최고 권위지인 '피지컬 리뷰 레터즈(Physical Review Letters)'에 6월 27일 게재되었다.

전자는 스핀(자전)과 궤도각운동량(공전)이라는 두 가지 회전 운동을 한다. 이 둘은 스핀-궤도 결합을 통해 물질의 자성이나 전도성 같은 중요한 특성을 결정짓는다. 문제는 스핀-궤도 결합이 상대론적 고에너지 영역에서 유도되는 반면, 실제 물질을 다루는 고체나 반도체 환경에서는 낮은 에너지에서의 양자역학이 지배적이라는 점이다. 이로 인해 두 이론의 전제가 달라 하나의 계산 틀 안에서 현상을 일관되게 설명하는 데 한계가 있었다. 특히 고체 격자 안에서는 궤도각운동량을 정확히 정의하기조차 어려웠다.

연구팀은 이러한 난제를 해결하기 위해 궤도각운동량 개념 없이도 물질 내의 상대론적 효과인 스핀-궤도 결합을 설명할 수 있는 새로운 이론을 제안했다. 바로 '스핀-격자 상호작용(spin-lattice interaction)'이라는 개념을 도입한 것이다.

새로운 계산법은 1차원 도체(Pt 사슬), 2차원 부도체(h-BN), 3차원 반도체(GaAs) 등 다양한 물질에 적용되어 그 실효성을 검증받았다. 연구팀은 이 방법이 기존 방식보다 스핀 분포, 스핀 전류, 자기 반응 등을 더 정확하고 효율적으로 예측할 수 있음을 확인했다.

공동연구팀은 이번 성과가 "양자역학과 상대성이론 사이의 간극에서 비롯되던 계산적 비일관성을 해소한 방식"이라며, "향후 스핀트로닉스, 차세대 반도체 메모리 소자 등 스핀 기반 전자 소자 설계에 기초 이론으로 널리 활용될 수 있을 것"이라고 기대감을 표했다.

이번 연구는 UNIST 김범섭 박사(現 펜실베이니아대학교 박사후연구원)가 제1저자로 참여했다. 이 혁신적인 이론은 '고체물리학 교과서를 다시 써야 할지도 모른다'는 평가를 받을 만큼 파급력이 클 것으로 전망된다.

논문명은 Relativistic Spin-Lattice Interaction Compatible with Discrete Translation Symmetry in Solids이다.