[이현우 교수 연구실]Intrinsic Spin and Orbital Hall Effects from Orbital Texture

(왼쪽) 페르미 표면에 정렬된 오비탈에 전기장이 가해지면 각각의 양자상태가 오비탈 각운동량을 갖게 되면서 오비탈 홀 효과가 나타난다. (오른쪽) 스핀-궤도 상관관계의 부호에 따른 스핀과 오비탈 홀 효과의 관계. 

포스텍(포항공대) 이현우 교수 연구팀이 스핀 및 오비탈 홀 효과의 메커니즘으로 오비탈 자유도의 결정적인 역할을 규명했다.

물리학과 이현우 교수 연구팀의 고동욱 연구원, 조대근 학생, 그리고 서울대학교의 김창영 교수와의 공동연구를 통해 스핀 및 오비탈 홀 효과의 메커니즘으로 오비탈 자유도의 결정적인 역할을 규명했다고 밝혔다. 이 연구는 물리분야 대표적인 저명 학술지인 피지컬 리뷰 레터 최신호에 게재됐다. 이번 연구는 고체 내 오비탈 자유도의 동역학 및 전도현상의 새로운 가능성을  개척했다는 평가를 받고 있다.

스핀 홀 효과는 물질에 전기장을 가했을 때 수직한 방향으로 스핀 전류가 생성되는 현상을 말한다. 스핀 홀 효과를 이용하면 강자성체 없이도 스핀 전류를 전기적으로 생성할 수 있기 때문에 스핀 홀 효과는 스핀트로닉스 연구에서 매우 중요한 위상을 차지하고 있다. 스핀 홀 효과의 메커니즘으로는 스핀-궤도 결합이 중요할 것으로 여겨져왔지만 스핀과 함께 오비탈 자유도가 어떤 역할을 하는지에 대해서는 지금까지 명확히 알려진 바가 없었다. 

뿐만 아니라 지금까지 많은 연구자들은 오비탈 급랭 (orbital quenching) 이라는 현상 때문에 고채 내 오비탈 자유도는 동역학 및 전도현상에서 중요하지 않을 것이라고 여겨왔다. 그러나 본 연구에서는 오비탈 자유도를 고려하면 스핀-궤도 결합 없이도 오비탈 홀 효과가 나타남을 규명하였고, 스핀-궤도 결합으로 인해 스핀 홀 효과가 오비탈 홀 효과를 따라 나타남을 확인하였다.
이번 연구를 통해 스핀 및 오비탈 홀 효과의 메커니즘을 이해함으로써 위 효과들을 극대화하는 방법도 알게 되었다. 이는 향후 스핀트로닉스 소자 개발에 매우 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 뿐만 아니라 스핀 뿐만 아니라 오비탈 자유도 역시 전도현상에 결정적으로 관여한다는 것을 알게 되었다.

연구를 주도한 이현우 교수는 “이번 연구 성과는 오비탈 자유도의 동역학 및 전도현상의 새로운 가능성을 열었다”고 밝혔다.