과학2026. 11. 4. 오후 9:57 UTC·2 분 소요

마그논 수명, 예상보다 길다…스핀트로닉스에 기대

스위스 파울 셰러 연구소 연구진이 마그논이 예상보다 훨씬 오래 에너지를 유지한다는 사실을 확인했습니다. 저전력 컴퓨팅에 도움이 될 전망입니다.

Illustration of magnetic spin waves travelling through a crystal lattice struck by a laser pulse. — 이미지: CHIP Polska - Technologie mamy we krwi!

스위스 Paul Scherrer Institute 연구진이 스핀파의 양자적 들뜸 상태인 마그논이 지금까지 알려진 것보다 훨씬 오래 에너지를 유지한다는 사실을 밝혀냈습니다. 기존 전자 회로보다 훨씬 적은 전력으로 정보를 처리하려는 스핀트로닉스에 큰 기회가 될 수 있습니다. 연구 결과는 Nature Communications에 실렸습니다.

기존 반도체의 한계

현재의 프로세서는 회로를 따라 전하가 이동하는 방식으로 작동합니다. 이 방식으로 고성능 기기를 만들 수 있었지만, 전류가 흐르면 열로 에너지가 손실되고 트랜지스터를 더 작게 만드는 일도 점점 어려워지고 있습니다. 대안 중 하나인 스핀트로닉스는 전자의 전하뿐 아니라 자기 모멘트와 관련된 양자 특성인 스핀도 활용합니다.

물질 속 전자의 스핀이 조화롭게 움직이면 스핀파가 생기고, 그 양자적 들뜸을 마그논이라고 부릅니다. 마그논은 전자를 직접 이동시키지 않고도 에너지와 정보를 물질 내에서 전달할 수 있습니다.

실험에서 확인된 내용

연구진은 자기 현상과 원자 진동 사이의 상호작용이 강한 자성 물질인 산화구리를 사용했습니다. 시료에 매우 짧고 강한 레이저 펄스를 쏘면 전자가 들뜨고 스핀이 바뀌면서 마그논이 만들어집니다. 이 과정은 1000조분의 1초 단위인 펨토초 규모로 일어났습니다.

이후 자기적 들뜸끼리 상호작용하면서 더 무질서한 파동 상태가 됐고, 뒤늦게 결정 구조 속 원자의 진동인 포논에 에너지를 넘기기 시작했습니다. 가장 중요한 관찰은 이 마지막 단계였습니다. 마그논에서 포논으로의 에너지 전달은 나노초 규모에서야 일어났으며, 상호작용이 강한 물질에서 연구진이 기대한 것보다 훨씬 긴 시간입니다.

관측에는 자유전자 레이저의 강력한 X선 펄스와 펌프-프로브 기법, 시간분해 공명 산란 기법의 새로운 응용이 결합됐습니다.

향후 전망

연구진은 마그논과 포논의 에너지-운동량 관계 차이가 에너지 전달 효율을 제한해 긴 수명으로 이어진다고 설명합니다. 이 원리를 더 잘 이해하면 마그논 수명을 의도적으로 조절하는 소재를 설계할 수 있습니다. 앞으로 저전력 논리 회로, 스핀트로닉스 소자, 새로운 컴퓨팅 구조에 활용될 수 있습니다.