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서로 다른 물질 붙여 전류 방향 바꾼다

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서로 다른 물질 붙여 전류 방향 바꾼다

2019.10.15 14:42
최대성 UNIST 신소재공학부 연구원과 유정우 교수팀이 두 가지 서로 다른 물질을 붙여 경계명에서 보이는 특수한 현상으로 전류 방향을 통제할 가능성을 제기했다. UNIST 제공
최대성 UNIST 신소재공학부 연구원과 유정우 교수팀이 두 가지 서로 다른 물질을 붙여 경계명에서 보이는 특수한 현상으로 전류 방향을 통제할 가능성을 제기했다. UNIST 제공

 

두 개의 서로 다른 물질을 붙인 뒤 자기장을 걸어줘 한쪽 방향으로만 전류가 잘 흐르도록 만드는 소재를 국내 연구팀이 개발하고 원리까지 밝혔다. 전류를 특정한 방향으로 흐르도록 유도하는 다이오드 등 새로운 자성소자 개발에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.


울산과학기술원(UNIST)은 유정우 신소재공학부 교수와 최대성 연구원, 진미진 영국 케임브리지대 연구원팀이 이종접합 소재 외부에 자기장을 걸어 전류가 한쪽 방향으로 더 잘 흐르게 하는 데 성공했다고 15일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’ 4일자에 발표됐다.


어떤 도체 소재의 양 끝단에 서로 다른 크기의 전압을 가하면 전압이 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 전류가 흐르게 할 수 있다. 전압이 높은 방향을 서로 바꾸면 크기가 같은 전류가 방향만 반대로 흐른다. 


하지만 서로 다른 소재를 이어 붙인 경우 이런 현상이 나타나지 않는다. 이종 소재의 경계면이나 소재 표면에서는 전자가 지니는 양자역학적 성질 중 특정 방향으로 회전하는 듯한 방향성을 보이는 특성인 ‘스핀’과, ‘궤도운동량’이라는 특성이 서로 결부되는 현상이 발생한다. 이 계면에는 위와 아래 두 방향으로 나뉜 전자 스핀이 하나의 에너지 상태를 띤 채 모여 존재한다(축퇴 상태). 여기에 자기장을 가하면 스핀의 에너지 상태가 변화하면서 특정한 방향에 더 쉽게 영향을 받도록 변하게 된다. 스핀의 상태는 자기장 및 전류의 방향을 결정하므로, 이 계면에서는 전류가 더 이상 양방향으로 흐르지 않고 한 방향으로 더 잘 흐르도록 변화된다.

 

란타넘 산화물(위)와 스트론튬산화물(아래)의 경계면에는 전자가 2차원 평면에 밀집해 모이게 된다. 이곳에서는 한 가지 소재만 존재할 때와 달리 전자의 스핀과 궤도운동량이 결부되는 현상이 나타난다. 여기에 외부 자기장을 가하면 스핀 에너지 상태가 변화하면서 특정 방향 전류가 더 잘 흐르는 상태가 된다. 네이처 커뮤니케이션스 제공
란타넘 산화물(위)와 스트론튬산화물(아래)의 경계면에는 전자가 2차원 평면에 밀집해 모이게 된다. 이곳에서는 한 가지 소재만 존재할 때와 달리 전자의 스핀과 궤도운동량이 결부되는 현상이 나타난다. 여기에 외부 자기장을 가하면 스핀 에너지 상태가 변화하면서 특정 방향 전류가 더 잘 흐르는 상태가 된다. 네이처 커뮤니케이션스 제공

연구팀은 란타넘산화물과 스트론튬산화물 소재를 이어 붙인 접합면(계면)에서 이런 특성이 특히 잘 나타난다는 사실을 발견했다. 기존 소재에 비해 효과가 100배 컸다. 추가로 다른 방향의 전압을 걸어주면 전류가 특정 방향으로 흐르는 성질을 더 강하게 만들 수 있다는 사실도 밝혔다.


유 교수는 “자기장을 이용해 전류를 특정 방향으로 흐르게 만들 수 있으므로 자성 소재로 활용하면 전자의 전하와 함께 스핀를 함께 활용하는 차세대 자성 기술인 스핀트로닉스 메모리나 논리 소자에 응용할 수 있을 것”이라고 말했다.

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