"전압 대신 회전으로 전자 옮긴다"…UNIST, 나선형 나노선 '양자 펌프' 작동 원리 규명[과학을읽다] 작성일 06-04 47 목록 <div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> <strong class="summary_view" data-translation="true">전기장 방향 한 바퀴 돌리면 정량 전하 이동…궤도각운동량·스핀 분극까지 동시 발생<br>美 펜실베이니아주립대 공동연구…나노전자·스핀트로닉스 소자 설계 새 가능성 제시</strong> <div class="article_view" data-translation-body="true" data-tiara-layer="article_body" data-tiara-action-name="본문이미지확대_클릭"> <section dmcf-sid="xfKU5nAiNb"> <p contents-hash="28ad6898c791c014decd0d1517eba4f787d0988693dab728ab771790df8f6876" dmcf-pid="yCmAn5UZkB" dmcf-ptype="general">울산과학기술원(UNIST)과 미국 연구진이 스크루처럼 꼬인 나선형 나노선이 전자를 일정량씩 한 방향으로 이동시키는 '양자 펌프'로 작동할 수 있다는 사실을 이론적으로 규명했다. 특히 전하 이동 과정에서 전자의 궤도각운동량과 스핀 분극까지 함께 생성되는 것으로 나타나 차세대 나노전자소자와 스핀트로닉스 기술 개발에 새로운 가능성을 제시했다.</p> <div contents-hash="adcaceb714bfd66af71e1499dc0670302bbac61714b10d3fb21ea602d3f992da" dmcf-pid="WhscL1u5kq" dmcf-ptype="general"> <p>UNIST는 4일 박노정 물리학과 교수 연구팀이 빙하이 얀 미국 펜실베이니아주립대학교 교수 연구팀과 공동으로 1차원 나선형 물질의 위상 전하 펌핑 작동 원리를 규명했다고 밝혔다.</p> </div> <figure class="figure_frm origin_fig" contents-hash="c8c8854b393eac7eda9774506ad406c521ed70b044b42ab984030e7106238be4" dmcf-pid="YlOkot71gz" dmcf-ptype="figure"> <p class="link_figure"><img alt="회전하는 전기장을 가하면 나선형 나노선 내부 전하가 한 방향으로 이동하는 '위상 전하 펌핑' 현상을 나타낸 모식도. 전하 이동 과정에서 궤도각운동량이 생성되고, 일부는 스핀-궤도 결합을 통해 스핀 분극으로 전환된다. 또한 전기장 방향의 주기적 변화에 따라 전자 상태가 변하면서 정량적인 전하 이동이 발생하는 원리를 보여준다. 연구진 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202606/04/akn/20260604082103356ldvp.jpg" data-org-width="597" dmcf-mid="P1eJPvXSo9" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img3.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202606/04/akn/20260604082103356ldvp.jpg" width="658"></p> <figcaption class="txt_caption default_figure"> 회전하는 전기장을 가하면 나선형 나노선 내부 전하가 한 방향으로 이동하는 '위상 전하 펌핑' 현상을 나타낸 모식도. 전하 이동 과정에서 궤도각운동량이 생성되고, 일부는 스핀-궤도 결합을 통해 스핀 분극으로 전환된다. 또한 전기장 방향의 주기적 변화에 따라 전자 상태가 변하면서 정량적인 전하 이동이 발생하는 원리를 보여준다. 연구진 제공 </figcaption> </figure> <p contents-hash="655e7506636a5b31b441421a1be322d877ceef16f228f6edc8340cbe74458de8" dmcf-pid="GSIEgFztj7" dmcf-ptype="general">연구팀에 따르면 나선형 구조를 가진 나노선은 고대 물을 끌어올리는 장치인 아르키메데스 펌프와 유사한 방식으로 양자 세계에서 전하를 이동시킬 수 있다. 아르키메데스 펌프가 회전 운동만으로 물을 아래에서 위로 끌어올리듯, 나선형 나노선은 전기장의 방향을 천천히 회전시키는 것만으로 전자를 일정한 방향으로 이동시킨다는 것이다.</p> <p contents-hash="8409149d9dc09edb74e9646dcd1b495ea810609a8640ada81608db01d68bbb7a" dmcf-pid="HvCDa3qFju" dmcf-ptype="general">이번 연구의 핵심은 이 같은 구조가 '위상 전하 펌프(Thouless quantum pump)'로 작동한다는 점이다. 위상 전하 펌프는 외부 조건을 한 주기씩 변화시킬 때 전하가 정해진 양만큼 이동하는 양자 현상이다. 일반적인 전류처럼 전압을 가해 전자를 흘려보내는 방식이 아니라 전자의 양자 상태를 주기적으로 변화시켜 전하를 이동시킨다.</p> <p contents-hash="84c5553dbce619b427a85feec5fc86b87dc192350001f8ba024a2f332b71247d" dmcf-pid="XThwN0B3oU" dmcf-ptype="general">기존 위상 전하 펌프는 두 개 이상의 제어 변수를 정밀하게 조절해야 했지만, 연구팀은 나선형 구조를 이용하면 전기장 방향을 한 바퀴 회전시키는 단 하나의 조건만으로도 전하 펌핑이 가능하다는 사실을 확인했다.</p> <div contents-hash="ff78a62e98bc79d52bd47fc4228ba1d51053e6a1c2b687894b6246340b5dc211" dmcf-pid="Zylrjpb0Ap" dmcf-ptype="general"> <p>연구팀은 나선형 탄화수소 모델과 삼방정계 셀레늄 나노선을 대상으로 시간에 따라 변화하는 전자 상태를 분석해 이러한 현상을 이론적으로 입증했다.</p> </div> <figure class="figure_frm origin_fig" contents-hash="ad51b02f2b3caba82033136cc588d03794a9041e0d9978aeef04819d162913b6" dmcf-pid="5joR4hYCa0" dmcf-ptype="figure"> <p class="link_figure"><img alt="연구진 사진. 박노정 교수(좌측)과 에스마일 타기자데 시사크트 박사. UNIST 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202606/04/akn/20260604082104606pcyp.jpg" data-org-width="745" dmcf-mid="Qg7tYRoMaK" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img4.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202606/04/akn/20260604082104606pcyp.jpg" width="658"></p> <figcaption class="txt_caption default_figure"> 연구진 사진. 박노정 교수(좌측)과 에스마일 타기자데 시사크트 박사. UNIST 제공 </figcaption> </figure> <p contents-hash="c26d90c28fa66475c218fa8ce8d6d8bcaed7876144e15a595a0df26a8b9f5765" dmcf-pid="1Age8lGhA3" dmcf-ptype="general">연구 결과 전하 펌핑 과정에서는 전자의 궤도각운동량과 스핀 분극도 함께 발생하는 것으로 나타났다. 전자가 나선형 구조를 따라 이동하면서 먼저 궤도각운동량이 형성되고, 셀레늄 나노선에서는 이 가운데 일부가 스핀-궤도 결합을 통해 스핀 분극으로 전환됐다. 전자의 공전 운동 특성이 자전 운동 특성으로 이어진 셈이다.</p> <p contents-hash="faeda1d7fd646343b8dd755d8fb7101474ca67b66f2c3dc3c2365dc7764fc919" dmcf-pid="tcad6SHlAF" dmcf-ptype="general">박노정 교수는 "손대칭성을 가진 나노선에서 위상학적 전하 펌핑과 궤도각운동량, 스핀 분극화가 하나의 통합된 메커니즘으로 연결된다는 사실을 처음으로 규명했다"며 "향후 전자와 궤도, 스핀 특성을 위상학적으로 제어하는 새로운 나노소자 개발의 토대가 될 수 있을 것"이라고 말했다.</p> <p contents-hash="f3686edd8f05899195084c3d0d2813c099cfc59f893cf45d4f032de48458f499" dmcf-pid="FkNJPvXSjt" dmcf-ptype="general">이번 연구는 에스마일 타기자데 시사크트 박사가 제1저자로 참여했으며, 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 기초연구사업, 산업통상자원부 산하 한국산업기술진흥원(KIAT) 인력양성사업 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 국제학술지 Nano Letters에 지난달 13일 게재됐다.</p> <p contents-hash="f6df8014ae37f5ab091cc59c905337b077683faeee80c9afffd9591cfec2076e" dmcf-pid="3EjiQTZvo1" dmcf-ptype="general">김종화 기자 justin@asiae.co.kr</p> </section> </div> <p class="" data-translation="true">Copyright © 아시아경제. 무단전재 및 재배포 금지.</p> 관련자료 이전 13년 만의 재대결! 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