역설적으로 그의 상대성이론은 양자역학의 주관찰 대상인 전자를 설명하는 데 꼭 필요한 도구가 됐다. 전자는 양자역학으로 분석해야 할 정도로 작은 입자인 동시에 상대성이론이 필요할 만큼 빠르기 때문이다.
두 이론의 출발선이 달라 일관된 설명이 어려운 부분이 있는데, 그 간극을 메우는 이론이 물리학 최고 권위지인 ‘피지컬 리뷰 레터즈’(Physical Review Letters)에 지난 6월27일 공개됐다.
UNIST 물리학과 박노정(사진) 교수와 연세대학교 김경환 교수팀은 전자의 스핀을 고체 속에서 더 정확하게 설명할 수 있는 새로운 이론을 제시했다고 8일 밝혔다.
전자는 두 가지 회전이 있다. 스핀과 궤도각운동량이다. 스핀과 궤도각운동량은 서로 영향을 주고받는 ‘스핀-궤도 결합’을 통해 물질의 자성, 전도성 등을 결정짓는다.
문제는 스핀-궤도 결합이 상대론적 고에너지 영역에서 유도되는 반면, 고체나 반도체처럼 실제 물질을 다루는 환경에서는 낮은 에너지에서의 양자역학이 지배적이라는 점이다.
연구팀은 궤도각운동량을 쓰지 않고 물질 내 상대론적 효과인 스핀-궤도결합을 설명할 수 있는 새로운 이론을 제안했다. 스핀-격자 상호작용이라는 개념을 정의한 것이다.
연구팀은 이 새로운 계산법을 실질적인 물리계에 적용해 검증했다. 1차원 도체(Pt 사슬), 2차원 부도체(h-BN), 3차원 반도체(GaAs) 등 다양한 물질에 대해 스핀 분포, 스핀 전류, 자기 반응 등을 기존 방식보다 더 정확하고 효율적으로 예측해낼 수 있음을 확인했다.
연구팀은 “양자역학과 상대성이론 사이의 간극에서 비롯되던 계산적 비일관성을 해소한 방식”이라며 “스핀트로닉스, 차세대 메모리 반도체 소자 등 스핀 기반 전자소자 설계에 기초 이론으로 활용될 수 있을 것”이라고 말했다. 이다예기자
저작권자 © 울산일보 무단전재 및 재배포 금지
