스핀-갈라짐 소재의 비밀

 

 

 

 

 

      

스핀-갈라짐 소재의 비밀 과학과 사회 / 과학 2014/10/31 09:00 http://blog.naver.com/hansyoo/220164519631 전용뷰어 보기 스핀-갈라짐 소재의 비밀 Oct 27, 2014, Tushna Commissariat, physicsworld.com 에너지-모멘텀 좌표계에서의 스핀 – WSe2의 전자 구조       대규모 스핀-갈라짐(spin-splitting) 현상이 처음으로 직접 관찰되었다. 스핀트로닉스(spintronics, 스핀전자) 기술개발 중에 발견하게 된 것이다. 이번 발견이 놀라운 것은 해당 소재가 WSe2(텅스텐 다이셀레나이드)였기 때문이다. 결정의 대칭성이 일반적으로 이 같은 스핀-갈라짐이 일어나는 것을 허용하지 않기 때문이다. 스핀트로닉스란 전자의 고유 스핀과 자기 모멘트를 이용하여 현재보다 훨씬 빠르고 작고 그리고 에너지 효율이 높은 새로운 종류의 고상 디바이스(solid state devices)를 개발하려는 목적으로 요즘 각광받는 기술이다. ) -->  ) -->  거대 스핀(giant spins)     이미 스핀트로닉스 기술로 첨단 컴퓨터 메모리와 하드 드라이브를 만들고 있다. 그러나 전자스핀(electric spin)만으로 트랜지스터 같은 디바이스를 만들기 위해서는, 소재의 배경 스핀의존 전자밴드구조는 물론이고 고체 내부에서 전자스핀이 어떻게 돌아다니는지를 명확하게 알아야 한다. 특히 큰 스핀-갈라짐을 갖는 소재를 만드는 것이 중요하다. 스핀-갈라짐이란 에너지와 모멘텀 공간에서의 스핀 업/다운(up/down)이 분리되는 것을 말하는데, 원하는 대로 온-오프(on-off) 시킬 수 있어야 한다. 그러나 불행하게도 지금까지는 후보가 되는 소재에서의 스핀-갈라짐이 너무 작아서 실용적으로 응용할 수가 없었다. 영국 세인트 앤드류스 대학(St Andrews)의 필립 킹(Philip King)과 존 릴리(John Riley)는 유럽과 일본, 그리고 태국의 동료들과 함께 WSe2(텅스텐 다이셀레나이드) 세부 실험 및 이론적 계산을 했다. 소재 구조상 스핀 갈라짐이 불가능한데도 놀랍게도 거대한 스핀-갈라짐을 목격했다.     WSe2(텅스텐 다이셀레나이드)는 스핀-축퇴(spin-degenerate) 소재이기 때문에 이번 발견은 충격적이었다. 전자들이 매우 강력한 스핀-궤도 상호작용에 놓인다는 것을 의미하는 것이며 그 상태가 명확하게 스핀-편광(spin-polarized), 즉, 스핀-업과 스핀-다운 상태가 명확하게 분리되는 상태가 되는 것을 보는 것이 거의 불가능하게 된다는 뜻이다. 그러나 연구원들이 관찰한 것은 정확하게 이 같은 갈라짐 현상이었다. WSe2(텅스텐 다이셀레나이드) 결정은 2차원 원자 층이 교대로 배열되는 형태인데, 각 층이 거의 100% 스핀-편광된 것을 연구원들이 발견하였다. 그러나 이것은 WSe2(텅스텐 다이셀레나이드)가 지니고 있는 반전 대칭(inversion symmetry)이란 기본적인 대칭성에 모순이 된다. 그렇다면 어떤 일이 벌어진 것일까? ) -->  ) -->  결정 층의 미스터리     킹(King)의 연구팀이 발견한 것은 WSe2(텅스텐 다이셀레나이드)가 벌크 상태로는 스핀-축퇴인 것이 맞지만, 그러나 소재의 개별적인 원자층들은 대단한 스핀-편광성을 지녔으며 따라서 반전 대칭이 깨진다는 점이었다. WSe2(텅스텐 다이셀레나이드)의 전반적인 결정 구조는 각각의 층이 이전 층과 180도 회전하여 배열되는 많은 층으로 구성된다. 각각의 원자 한 개 두께의 층에서는 반전 대칭이 깨지거나 존재하지 않으며 원자들은 대단한 스핀-편광 상태로 되어 있다. 이것은 한 층에 국한된 전자들의 상태에만 적용되지만(어떤 전자들은 국소화되지 않고 여러 층에 걸친다.), 그러나 소재의 전자적 특성을 지배한다.     전반적인 반전 대칭성은 유지된다. 스핀-편광 상태의 부호(방향)가 180도 회전된 반전층에 의해서 상쇄되기 때문이다. 따라서 국소적으로는 스핀-편광이지만, 전체로는 그렇지 않다.     전압을 가하든가 해서 WSe2(텅스텐 다이셀레나이드)의 결정 층을 분리하면 튜닝 가능한 큰 스핀-갈라짐 소재가 될 가능성을 드러나게 하는 것이다. 거의 최대 500meV에 달하는 매우 큰 스핀-갈라짐을 제공할 수 있다. 이전까지 가장 큰 스핀-갈라짐은 200meV였다. 200meV 정도면 실온에서 작동하는 소형 디바이스 개발이 가능해진다. 따라서 500meV면 훨씬 좋다.   ) -->  - 네이버 블로그 <Physics of Dream>  hansyoo 님의 글 중에서 전재.. ) -->