'스핀-전하 분리 이론' 40년만에 실험 성공

연세대 김창영교수, 네이처 피직스 6월호에 실릴 예정

40년전 정립되고도 실험적에서 관찰하지 못했던 '스핀-전하 분리 이론'에 대한 실험을 한국의 과학자가 성공했다. 연세대 김창영 교수(물리학)는 24일 최근 미국 버클리대의 방사광가속기를 이용, 전자의 스핀과 전하를 분리하는 실험에 성공했다고 밝혔다. 스핀과 전하는 전자의 특성을 나타내는 중요한 양으로 전자는 전기의 흐름을, 스핀은 물질의 자성을 결정해주는 성질을 갖고있다. 그러나 전하와 스핀은 서로 분리해서 생각할 수 없는 것으로 그동안 많은 과학자들이 실증에 실패해왔다. 김 교수는 "전하와 스핀은 따로 분리해서 생각할 수 없는 것으로, 이는 마치 지구의 자전을 지구 자체와 분리해서 생각하는 것과 같이 일어날 수 없는 일"이라고 설명했다. 김 교수는 그러나 "1차원계 고체 내부에서는 전하와 스핀이 따로 분리되는 '스핀-전하 분리'현상이 일어나는데, 이론적으로는 1960년대에 예측되었지만, 실험적으로는 확실한 검증이 되지 않았다"고 밝혔다. 김 교수는 "1차원계 양자 스핀 물질인 SrCu02의 고 에너지 광전자 분석의 특별한 성질을 이용, 스핀과 전하의 움직임이 뚜렷이 구별되는 현상을 관측했다"고 설명했다.

이번 실험의 성공은 그동안 전자가 깨질 수 있는 3가지 특별한 경우가 모두 이론과 실험에서 증명됐다는데 의의가 크다. 전자가 깨질 수 있는 3가지 특별한 경우는 'BCS이론(초전도상태,1972년노벨상)의 입자상태', '분수 양자홀 효과(1998년 노벨상), 그리고 '스핀-전하의 분리다. 또 스핀-전하 분리를 실험적으로 검증함으로써 스핀과 전하를 분리해 개별적으로 응용할 수 있는 가능성을 마련했다. 김 교수는 "스핀은 전하보다 양자 정보의 입출력 및 전달이 용이, 최근 스핀트로닉스라는 분야가 새로운 학문분야로 떠오르고 있다"며 "이번 실험은 향후 기초학문뿐 아니라 차세대 양자 IT분야의 응용기술 발전에도 큰 기여를 할 것으로 기대한다"고 밝혔다. 김 교수는 서울대 물리학과(84학번)를 졸업하고 스탠포드대 응용물리학과에서 95년도에 박사학위를 취득했다. 1995년~2001년까지 스탠포드 방사광가속기 연구소에서 연구원으로 활동했으며 2001년 연세대 물리학과 교수로 부임했다. 김 교수의 이번 실험은 과학잡지 네이처지의 자매지인 네이처 피직스(Nature Physics) 6월호에 실릴 예정이다.