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- 금 전자의 스핀은 금속 표면에 이중 고리를 형성
- 바깥쪽에서 볼 때 이중 고리의 바깥쪽 전자 밴드의 스핀은 시계 방향을 가리키고, 안쪽은 반시계 방향을 가리킨다
- 사용한 방법은 이제 다른 물질의 스핀 패턴을 매핑하는 데 사용될 수 있다.
- 이는 스핀트로닉스 발전에도 기여

금의 스핀 논쟁 해결
금 표면 전자, 이중 고리 형태의 특이한 스핀 패턴 형성

황금 고리:
금 표면은 빛을 낼 뿐만 아니라 특이한 스핀 패턴도 형성한다. 금 전자의 스핀은 금속 표면에 이중 고리를 형성한다. 그러나 이러한 고리의 스핀 방향은 이전에는 논쟁의 여지가 있었다. 이제 실험을 통해 이 의문이 해결됐다. 연구 결과에 따르면, 바깥쪽 고리의 스핀은 시계 방향을 따르는 반면, 안쪽 고리의 금 스핀은 반대 방향을 가리킨다. 이는 양자 응용 및 재료 연구에서 금을 사용하는 데 있어 무엇보다도 중요하다. 

▲ 금 표면의 전자는 특이한 패턴을 보인다. 스핀이 반대 스핀을 가진 이중 고리를 형성한다. 그러나 안쪽 고리와 바깥쪽 고리가 가리키는 방향은 논쟁의 여지가 있다. © Fumihiko Matsui

금은 매우 특별한 원소다. 거의 모든 화학 반응에 강하고, 금속 중에서도 독특한 광택을 나타내며, 다른 어떤 금속보다 내구성이 뛰어나다. 금은 격자 구조를 잃지 않고 녹는점의 최대 14배까지 가열할 수 있다. 단, 충분히 빠르게 가열해야 한다. 금이 보석, 보물, 투자 수단으로만 선호되는 것은 당연한 일이다. 금은 양자 물질, 촉매, 방사선 흡수제로도 각광받고 있다.

금 전자는 이중 고리를 형성한다.

하지만 한 가지 중요한 의문은 아직 풀리지 않았다. 바로 금 표면 전자의 고유한 양자 상태에 관한 것이다. 이 표면 전자들은 금속의 일반적인 원자 격자에 속박되지 않고, 자체적인 법칙을 따르는 층을 형성한다. 이른바 쇼클리 상태를 통해 금 표면에 수직인 전기장을 생성한다. 이는 표면 근처 금 전자의 스핀 방향에 영향을 미친다.

그 결과 금 전자는 특이한 배열을 보인다. 소위 라쉬바 효과(Rashba effect:반전 대칭성이 깨진 고체에서 전자의 스핀이 특정한 패턴을 갖는 현상)로 인해 전자의 스핀은 금속 표면에 고리를 형성한다. 이 고리들은 각각 바깥쪽 원과 안쪽 원, 두 개의 궤도로 구성된다. "두 밴드의 스핀은 반드시 반대 방향을 가리켜야 한다는 것은 알려져 있다"고 일본 분자 연구소의 마츠이 후미히코(Fumihiko Matsui)와 그의 동료들은 설명했다.

▲ 그림 1. (컬러 온라인) (a)에 나타낸 측면과 (b)에 나타낸 수직 절단면에서 본 PMM의 개략도. (b)에서 이중 분산 모드의 α 모드 광전자 궤적은 녹색, 검은색, 빨간색 곡선으로 표시되어 있다. (c) 실수 공간과 (d) 역수 공간의 좌표가 표시되어 있다. (출처:Spin and Orbital Polarizations of Au(111) Surface State Determined by Photoelectron Momentum Microscope / Journal of the Physical Society of Japan / Published October 31, 2025)

스핀은 어느 방향을 가리킬까?

하지만 문제는 각 링의 스핀 방향이 20년 넘게 논쟁의 대상이 되어 왔다는 것이다. 일부 분석에서는 바깥쪽 링의 스핀은 시계 방향을, 안쪽 링의 스핀은 시계 반대 방향을 가리킨다고 제시했다. 그러나 다른 실험에서는 정반대의 결과가 나왔다.

이제 새로운 측정 방법이 이 "황금" 논쟁을 해결했다. 마츠이와 그의 팀은 광전자 운동량 현미경(PMM)의 특수 변형 장치를 사용했다. 이 장치는 금 표면에서 전자를 떼어내 에너지와 운동량을 측정한다. 금 전자의 원래 스핀 방향을 결정하기 위해 물리학자들은 이 장치에 소위 스핀 회전자(spin rotator)를 결합했다. 이 회전자는 특정 스핀 방향을 가진 전자에만 민감하다.

"이 스핀 회전자는 샘플을 움직이거나 변경하지 않고도 두 개의 서로 다른 스핀 방향을 개별적으로 이미징할 수 있기 때문에 필수적이다"고 마츠이와 그의 동료들은 설명했다. 이 방법을 사용해 그들은 금 표면의 전자 고리를 매핑하고 두 밴드의 스핀 방향을 동시에 결정하는 데 처음으로 성공했다.

▲ 그림 2. (컬러 온라인) 전자 스핀 방향에 대한 자기장 ????의 효과. ????는 (a) 전자빔의 진행 방향에 수직으로, (b) 평행하게 적용된다. (a) 적절한 전기장 ????를 도입함으로써 특정 운동 에너지를 가진 전자에 대한 자기장 효과를 상쇄하고 해당 전자를 선택할 수 있다. (a)에서 진행 방향에 수직으로 배향된 스핀은 진행 축을 따라 재배향될 수 있는 반면, (b)에서는 ???? 축을 중심으로 회전될 수 있다. (c) 및 (d) 스핀 회전자와 스핀 필터를 사용하여 2D ????‖ 분포와 스핀 정보를 감지하는 메커니즘의 개략도. (c) +45° 회전 모드 및 (d) -45° 회전 모드. (출처:Spin and Orbital Polarizations of Au(111) Surface State Determined by Photoelectron Momentum Microscope / Journal of the Physical Society of Japan / Published October 31, 2025)

바깥쪽은 시계 방향, 안쪽은 반시계 방향

결과:
"이제 우리의 데이터는 오랫동안 논쟁의 여지가 있었던 스핀 할당 문제를 해결했다. 바깥쪽에서 볼 때 이중 고리의 바깥쪽 전자 밴드의 스핀은 시계 방향을 가리키고, 안쪽은 반시계 방향을 가리킨다"고 물리학자들은 보고했다. 동시에, 그들의 측정 결과는 금 표면의 전자가 라쉬바 효과의 영향을 받는다는 것을 확인시켜 주었다. 따라서 이 새로운 결과는 20년 이상 지속되어 온 논쟁을 종식시켰다.

▲ 그림 4. 광전자 펄스 현미경과 스핀 회전기를 이용한 측정 결과, 금 전자의 스핀 방향이 밝혀졌다.   © Fumihiko Matsui (온라인 컬러 이미지) (a) 페르미 표면 및 (b) 스침 입사 SX를 사용하여 측정한 Au(111) 표면 상태의 ????⁢???? 방향 분산. (c) 및 (d) 스핀 회전기의 +45° 또는 -45° 회전 모드로 측정한 Au(111) 표면 상태의 ????‖ 분포 데이터의 합 및 차 패턴. 빨간색(파란색) 고리는 주로 위(아래) 스핀 성분이 있는 영역을 나타내며, 이는 -????⁢???? (+????⁢????) 방향으로 이동했음을 나타낸다. (출처:Spin and Orbital Polarizations of Au(111) Surface State Determined by Photoelectron Momentum Microscope / Journal of the Physical Society of Japan / Published October 31, 2025)

이 측정은 또한 어떤 전자 궤도가 이러한 특이한 표면 상태를 초래하는지, 그리고 편광에 의한 여기(excitation)에 어떻게 반응하는지에 대한 정보를 제공했다. 마츠이와 그의 동료들은 "원자 오비탈과 전자스핀의 거동을 아는 것은 고체와 그 표면의 특성과 기능을 이해하는 데 필수적이니다"고 결론지었다.

이 결과는 또한 원자 오비탈과 전자스핀의 거동에 대한 정보를 제공한다. 물리학자들이 설명하듯이, 그들이 사용한 방법은 이제 다른 물질의 스핀 패턴을 매핑하는 데 사용될 수 있다. 이는 스핀트로닉스 발전에도 기여할 수 있다.

참고: 일본물리학회지, 2025; doi: 10.7566/JPSJ.94.114707
출처: 일본국립자연과학연구소

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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