반도체 내부의 전자는 '스핀'이라는 양자 상태를 갖는다. 이 상태를 이용하면 더 많은 정보를 처리할 수 있는 차세대 전자소자를 개발할 수 있다. 문제는 기존의 반도체 스핀 소자는 상온에서 스핀 정보를 유지하기가 어렵다는 것이다. 이런 가운데 빛의 방향을 이용해 반도체 내부의 스핀을 제어하는 기술이 한국인 과학자에 의해 개발됐다.

28일 한국과학기술원(KAIST)에 따르면, 이 대학 물리학과 졸업생으로 현재 네덜란드 델프트공과대학교에서 박사후연구원으로 재직 중인 공수현 박사는 이 같은 기술을 개발하고 연구 성과를 세계적인 학술지 '사이언스(Science)' 26일자에 게재했다.

공 박사는 반도체의 스핀 상태와 빛의 방향이 일대일로 연결된 소자를 개발했다. 즉, 반도체 속 스핀 회전이 반대 방향이 되면 빛의 방향도 반대 방향으로 진행하므로 빛의 방향 만으로 반도체 스핀 정보를 제어할 수 있게 된다.

빛은 주변 환경에 대해 매우 안정적이기 때문에 반도체 스핀 정보를 빛으로 전환시켜 주면 먼 거리에서도 스핀 정보를 전달할 수 있다. 

또 수백나노미터 지름의 금속 나노막대를 이용하면 빛의 파장보다 더 작은 영역에 빛을 집속시킬 수 있다. 이 빛은 금속 나노막대를 따라 진행한다. 금속 나노막대 근처에서는 빛의 편광 방향이 회전하는 광학 스핀을 형성하고, 빛의 진행 방향을 바꾸면 광학 스핀의 회전 방향도 달라진다. 즉, 광학스핀의 회전 방향과 빛의 진행 방향이 일대일 관계가 있음을 증명했다.

이 때 생기는 광학 스핀은 같은 방향으로 회전하는 반도체 속 스핀과 상호작용할 수 있다. 스핀 방향은 유지한 채 빛의 스핀이 반도체 스핀으로 전환되거나 그 반대의 현상이 발생할 수 있다. 따라서 반도체 스핀 회전 방향도 빛의 진행 방향으로 일대일 전환이 돼 빛의 경로를 이용해 반도체 스핀 정보를 제어하고 통신할 수 있는 신개념의 스핀네트워크 소재를 개발할 수 있다.

연구팀은 실험적인 구현을 위해 2차원 반도체 물질인 이황화텅스텐 박막을 이용했다. 2차원 반도체 스핀 정보가 90% 이상의 효율로 빛의 방향정보로 전환되는 것을 증명했다.

공 박사는 이번 연구결과에 대해 "상온에서 자기장 없이도 반도체의 스핀을 조절할 수 있는 방법이기 때문에 향후 스핀 관련 연구 및 소자에 활용할 수 있다"며 "궁극적으로 양자화된 빛인 광자를 이용해 반도체의 단일 스핀을 조절해 양자컴퓨팅 개발에 응용하는 것이 목표"라고 말했다.

공 박사는 2009년 KAIST 물리학과 대학원에 입학 후 조용훈 교수의 지도를 받아 2015년 박사학위를 취득했다. 현재 네덜란드 델프트공대 카블리 나노과학연구소(Kobus Kuipers그룹)에서 박사후연구원으로 일하고 있다.

송강섭 기자 successnews@successnews.co.kr

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