[이현우 교수 연구실] 세계 최초로 오비탈 홀 효과 관측 성공

Caption: (왼쪽) 오비탈 홀 효과. (오른쪽) 타이타늄(Ti)에서 오비탈 홀 효과를 관측하는 실험의 모식도.

[이현우 교수 연구실] 세계 최초로 오비탈 홀 효과 관측 성공

물질에 전기장이 가해지면 전자의 스핀 각운동량에 의해 전자의 궤적이 휘는 현상인 스핀 홀 효과는 약 20년 전 처음 관측되었고 현재 이 효과를 이용한 차세대 메모리 연구가 세계 여러 연구진에서 진행되고 있다. 최근에는 전자의 스핀 각운동량이 아닌 오비탈 각운동량에 의해서도 전자의 궤적이 휠 수 있다는 것이 이론적으로 예측되었다. 오비탈 홀 효과라고 불리는 이 현상은 오비탈 자유도에 의해 나타나는 새로운 종류의 현상으로서 많은 연구자들의 관심을 불러일으키고 있다.

포항공과대학교 물리학과 이현우 교수 연구팀은 성균관대학교 최경민 교수 연구팀, 서울대학교 김창영 교수팀, 그리고 한국과학기술연구원 민병철 박사팀과의 공동연구를 통해 세계 최초로 오비탈 홀 효과를 관측하는 데에 성공하였다. 이현우 교수 연구팀은 이번 연구에서 이론 분석을 주도하였으며, 경금속인 타이타늄(Ti)에 전기장을 걸었을 때 오비탈 홀 효과로 인해 물질 표면에 오비탈 각운동량이 쌓이는 양을 이론적으로 계산했다. 공동연구팀은 이론과 실험 결과의 일치를 통해 오비탈 홀 효과를 성공적으로 규명하였다.

이번 연구를 통해 고체 내부에서는 오비탈 각운동량에 의한 물리 현상이 발생하기 어렵다는 종래의 이해를 뒤집었으며, 더 나아가 오비탈 자유도를 활용한 새로운 자기 메모리 소자의 구현 가능성을 제기하였다. 오비탈 자유도는 전자가 가지는 매우 일반적인 성질이며 스핀 자유도와 달리 전기장과 직접 상호작용한다는 점 때문에, 스핀을 이용한 메모리 소자가 가지는 한계를 극복할 수 있을 것으로 기대된다. 이번 연구 성과는 저명 학술지 Nature에 2023년 7월 5일자로 게재되었다 [Nature 619, 52–56 (2023)].