100살 된 전자 ‘스핀’… 반도체 넘어 우주 비밀 푼다

‘사이언스 어드밴시스’ 특별호 “말도 안 된다” 무시 받던 물리 개념 양자센서-반도체 등 연구 핵심 부상 ‘스핀’ 개념을 고안한 미국의 물리학자 조지 울렌벡(왼쪽)과 사무엘 구드스미트(오른쪽)의 모습. 사진 출처 위키미디어 1925년 네덜란드계 미국인 물리학자 조지 울렌벡과 사무엘 구드스미트가 수소 원자 속 전자가 지구가 자전하듯 돌고 있다는 개념을 제시하자 학계의 반발을 불러왔다. 제시된 설명은 전자가 물리적으로 불가능할 정도로 빠르게 회전해야만 가능한 개념이었기 때문이다. 두 물리학자는 학계의 반발에도 당시 양자역학을 설명하는 슈뢰딩거 방정식으로 설명하지 못했던 수소 원자 스펙트럼의 미세구조를 설명하기 위해 ‘스핀’이라는 개념을 고안했다. 스핀 이론은 이후 수정돼 스핀은 실제로 전자가 회전해서 발생하는 현상이 아니라 전자가 본래부터 갖고 있는 고유 각운동량이라는 개념으로 정립됐다. 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스’는 ‘스핀’이란 물리 개념이 고안된 지 100주년을 기념해 17일(현지 시간) 특별호를 발표했다. 스핀은 물체가 자성을 띠게 하는 핵심 성질로 오늘날 암흑물질 탐색부터 반도체까지 다채로운 분야에서 활용된다. 일리야 쿠프로프와 워런 워런 사이언스 어드밴시스 편집장은 특별호 서문에서 “스핀 발표 이후 지금까지 100년은 스핀이 무엇인지, 스핀을 어떻게 활용하는지 알아내는 데 쓰였다”면서 “다음 100년을 위해 해결해야 할 문제들을 소개한다”고 했다. 특별호에는 현재까지 발표된 스핀 연구를 종합한 리뷰 논문 10편과 스핀 응용 분야의 최신 연구 논문 8편이 수록됐다. 전자의 스핀 상태는 외부 자기장 변화에 따라 변한다. 양자 센서에서 스핀은 외부 자기장 변화를 측정하는 핵심 원리로 활용된다. 독일 마인츠 헬름홀츠 연구소와 슈투트가르트대 등 공동연구팀은 다이아몬드로 만든 소형 양자 센서를 이용해 심장에서 발생하는 미세한 자기 신호를 검출하는 데 성공한 결과를 사이언스 어드밴시스에 실었다. 독일 요하네스 구텐베르크 마인츠대가 이끈 스위스, 미국 등 국제공동연구팀은 스핀의 100년 역사가 암흑물질, 입자 간의 상호작용 등을 다루는 기초물리학 분야에 미친 영향을 짚었다. 전자의 스핀을 기반으로 한 전자공학을 ‘스핀트로닉스’라고 한다. 프랑스 국립과학연구센터(CNRS)가 이끈 독일과 일본 등 국제공동연구팀은 차세대 반도체로 꼽히는 자기저항메모리(MRAM)와 스핀 기반 논리소자 등 스핀을 활용한 소자 연구의 최전선...