열로 스핀전류를 얻는 소재기술 개발

연구자 한국과학기술원 박병국
주요 지원 내역 미래소재디스커버리사업
성과창출연도 2017
성과내용 본 연구과제에서는 텅스텐(W)과 백금(Pt) 등 스핀 궤도 결합이 큰 중금속 소재에 열을 인가하여 순수스핀전류를 생성하는 현상을 실험적으로 규명하였고, 이를 자성재료에 주입하여, 자성체의 자화방향을 감지할 수 있었다. 스핀 궤도 상호작용이 큰 비자성체에서 전기적으로 스핀 전류를 생성하는 스핀 홀현상(Spin Hall effect)에 비해, 본 연구에서는 해당 재료에서 열적으로 스핀 전류를 생성하는 스핀 너른스트현상(spin Nernst effect)을 최초로 증명한 것이다. 열에 의해 생성되는 스핀 전류를 확인하기 위해서 중금속/강자성 소자의 국소영역에 레이저를 조사하여, 온도구배를 생성하고 그 결과 발생하는 자기저항의 크기와 부호를 분석하는 새로운 측정방법을 시도하였다. 다양한 소재에서 열 인가 자기저항을 연구하여, 열-스핀 전류 생성효율이 전기에 의한 스핀 전류의 생성효율과 비슷한 크기를 갖고, 생성되는 스핀 전류의 방향은 반대인 것을 밝혔다. 또한 열에 의한 스핀전류가 자성체에 주입되었을 때 전기에 의한 스핀전류와 대응되는 성질을 가짐을 확인하여, 해당 기술의 발견은 '전기를 대체하여 자성메모리 등 스핀트로닉스 소자를 구동할 수 있는 새로운 원천기술의 확보'라고 할 수 있다. 이번 연구 결과는 세계적인 학술지인 네이쳐 커뮤니케이션즈 2017년도 11월 9일자에 게재하였고, 열인가 스핀 토크 소자 관련해서 특허를 출원하였다. 이 연구결과를 바탕으로 현재 열로 생성된 스핀 전류로 직접 자성체를 제어하는 연구를 진행하고 있다.

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