스핀의 흐름을 이용한 초고감도 자기센서

전자는 전하와 스핀의 두 가지 속성을 가진다. 보통의 일렉트로닉스 소자에서는 전하의 성질만을 이용하지만, 최근 주목을 모으고 있는 스핀트로닉스 소자에서는 스핀에 의존한 전자의 전도가 중요한 역할을 담당한다. 그 중에서도 전하의 움직임을 수반하지 않는 스핀만의 흐름을 순스핀류라고 하며, 저소비전력 소자에 응용 가능할 것으로 기대하고 있다.
이러한 순스핀류를 이용하는 대표적인 응용례가 최근 화제를 모으고 있는 스핀 지벡효과[주1]이다. 이 효과를 이용하면 열의 흐름을 순스핀류를 통해 전압신호로 변환하는 것이 가능하다. 그러나 순스핀류를 이용한 다른 응용례는 지금까지 보고된 바가 없다. 이번에 일본 토쿄대학 물성연구소 오오타니 교수와 일본원자력연구개발기구 선단기초연구센터 마에까와 박사의 연구팀은, 이 순스핀류를 이용하여 상자성체로부터 강자성체로 전이하는 온도 부근에서 전압신호에 이상이 나타나는 것을 발견하였다. 이 이상 현상은 매우 미량의 강자성체에서도 민감하게 나타나기 때문에, 현재 고감도 자기센서로서 이용되고 있는 초전도 양자간섭계의 감도를 크게 웃도는 감도를 가지는 초고감도 자기센서로서 응용할 수 있을 것으로 기대된다. 이번 연구성과는 Nature Communications 9월 12일자에 게재되었다.

최근 미세가공기술에 발전과 함께 전자의 두 가지 속성인 전하와 스핀의 성질을 적극적으로 조합하여 지금까지의 전자소자를 능가하는 디바이스 실현이 가능해지고 있다. 이와 같은 분야를 스핀트로닉스라고 부르며, 이 분야에서의 대표적인 성공 사례가 하드디스크 드라이브의 자기헤드나 자기랜덤액세스 메모리이다. 이들 소자의 기본 원리는 거대자기저항효과인데, 이 효과를 발견한 연구자에게 2007년 노벨 물리학상이 수여되었다. 한편, 차세대 스핀트로닉스 소자의 실현에 있어서 매우 중요한 물리량이 스핀류라고 불리는 물성이다. 전류는 전하의 흐름이며, 지금까지의 전자소자에서는 전류가 모든 정보를 운반하는 역할을 해 왔으나, 스핀트로닉스 소자에서는 스핀류라고 불리는 스핀의 흐름이 정보를 운반한다. 그 중에서도 전하의 흐름을 전혀 수반하지 않는 스핀의 흐름을 순스핀류라고 하며 최근 많은 주목을 받고 있다.

이번 연구에서는 순스핀류의 흐름을 전압신호로 변환할 수 있는 역 스핀홀 효과[주2]라고 불리는 현상을 이용하여 약한 강자성체로 알려져 있는 Ni-Pd 합금이 상자성체에서 강자성체로 전이하는 큐리온도 부근에서만 전압신호에 이상이 나타난다는 것을 발견하였다. 이 현상은 큐리온도 부근에서 강자성체의 스핀이 변동하고 있는 것에 기인하는 것으로 이러한 변동성을 전도를 담당하는 전자의 스핀을 통해 전압신호로서 검출한 것이다. 이러한 스핀의 변동은 일반적으로 초전도양자간섭계(SQUID)를 이용하여 관찰된다. SQUID를 이용하면 자장을 인가하였을 때 이것에 비례하여 응답하는 선형대자율이 측정되지만, 이번 연구에서 검출되는 물리량은 2차 대자율[주3]이라고 불리는 고차 대자율에 대응한다. 보통 이와 같은 고차 대자율은 신호 자체가 매우 작고, 일반적으로 저차 대자율의 기여가 크기 때문에 고차항만을 측정하는 것은 매우 어려운 일이며, 지금까지의 측정 방법으로는 정확하게 2차 대자율까지 측정한 예는 보고된 바가 없다.

이번 연구에서 이용한 순스핀류를 이용하면 선형대자율이나 1차 대자율의 항은 전압신호에 기여하지 않으며, 2차 대자율만 측정하는 것이 가능하다. 이와 같은 토론은 50년 전 곤도효과[주4]를 발표한 것으로 유명한 곤도 교수에 의해 언급된 바 있으나, 당시에는 순스핀류의 개념이 없었기 때문에 강자성체에 전류를 흘렸을 경우의 이상 홀효과로 나타나는 1차 대자율만을 토의해왔다. 하지만 최근 순스핀류라는 새로운 개념이 발견되면서 차수가 하나 더 높은 2차 대자율까지 정확하게 측정할 수 있다는 것을 알게 된 것이다.

이번 연구에서 얻은 원리를 이용하여 고차 대자율을 측정함으로써, 선형대자율만으로는 알기 어려운 물리적인 정보를 도출할 수 있을 것으로 보인다. 가령, 선형대자율만으로는 이해하기 어려운 스핀글래스나 스핀아이스[주5] 등 복잡한 스핀 구조를 가지는 물질에서 스핀이 어떠한 변동성, 물성에 영향을 미치는가를 알아보는 것이 가능할 전망이다. 또한 신호검출에 이용한 자기모멘트의 크기는 보통의 SQUID에서 검출할 수 있는 크기보다 매우 작기 때문에, 이 원리를 이용한 초고감도 자기센서로서 응용이 가능할 것으로 기대된다.

[주1] 스핀지벡효과: 강자성체 시료에 온도 구배를 만들면 스핀류가 유기되고, 이 스핀류가 역 스핀홀 효과에 의해 전압신호로 변환되는 현상이다.
[주2] 역 스핀홀 효과: 스핀홀 효과란 스핀궤도 상호작용이 강한 물질에 전류를 흘리면 스핀업과 스핀다운의 전자가 각각 엣지쪽으로 산란되어 축적되는 현상이다. 이 때 전류와 스핀의 양자화 축이 직교하는 방향으로 스핀류가 발생한다.
[주3] 대자율: 외부에서 물질에 자장을 인가하였을 때 이에 응답하는 비율이다. 보통 자장의 크기에 비례하는 선형대자율(0차 대자율)에 대해서 언급하는 경우가 많으나, 2차 대자율이란 인가자장의 3승에 비례한다.
[주4] 곤도효과: 비자성체 금속에 자성 불순물을 소량 혼입한 재료계에서는 전기저항이 저온에서 상승하는 현상이 1930년대부터 알려져 왔으나, 그 정확한 원인이 무엇인지는 알지 못하였다. 곤도 교수는 전도전자와 불순물 전자와의 상호작용 헤밀토니언 섭동전개를 2차항까지 전개하여 처음으로 저온에서 온도가 상승하는 이유를 밝혔다.
[주5] 스핀글래스: 비자성체인 금속에 자성 불순물을 혼입하는 경우, 이 불순물에 의해 스핀이 제로온도의 극한 상태에서도 질서화되지 않고 고화된 상태를 스핀글래스 상태라고 한다.

(그림1) 강자성체에서 비자성체의 왼쪽으로 전류를 흘리면 강자성체와 비자성체의 전기화학 포텐셜의 차이로부터 비자성체의 우측에는 전류가 흐르지 않음에도 불구하고 순스핀류만이 유기된다.

(그림2) Ni0.08Pd0.92 합금에서 측정된 역 스핀홀 효과이다. 큐리온도(21K) 부근에서 역 스핀홀 효과에 이상 현상이 나타나고 있음을 알 수 있다.

(그림3) 강자성체 스핀이 큐리온도 부근에서 변동하고 있는 상태에 순스핀류를 주입하면 이 때문에 발생하는 신호에 이상이 나타난다.

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