나노 기술이 발전함에 따라서 전자의 스핀에 의한 다양한 전도 현상이 연구되어왔다. 특히, 자화(magnetization)를 자기장 없이 전류만으로 제어(control)할 수 있는 스핀전달 토크 현상(이후 스핀 토크)은 발견 당시 기존 전자기 법칙에서는 다루어지지 않았던 완전히 새로운 현상이었다. 이후, 스핀-궤도 결합이 강한 물질에 전류가 흐를 때 전자가 전류방향의 수직 방향으로 휘게 되고, 휘는 방향이 전도전자의 스핀 방향에 의존적이라는 스핀 홀 현상이 실험적으로 발견이 되었다. 이는 이론상 100% 분극된 스핀 전류를 생성할 수 있다는 것을 의미한다. 완전 분극된 스핀 전류에 의한 자화 제어의 효율성 향상이라는 기대 속에 스핀 홀 현상을 이용한 스핀 토크와 관련된 연구가 많은 관심을 모아왔고, 발표되는 논문의 수도 기하급수적으로 늘어나고 있는 상황이다.

필자 역시 그와 관련된 연구를 10여 년간 진행하였는데, 공부를 하면 할수록 궁금한 점이 있었다. 스핀 홀 현상은 스핀 각운동량의 흐름인 스핀 전류를 만들어내는데, 또 다른 양자수인 오비탈 각운동량의 흐름은 왜 다루어지지 않을까? 어설픈 질문만 마음 속에 갖고 있는 상황에서 2013년 아주 반가운 논문을 발견하게 되었다. 당시 연세대에서 재직하고 계시던 서울대 김창영 교수님이 논문을 발표하셨는데, 바로 오비탈 각운동량의 흐름과 관련된 것이었다. 개인적으로 굉장히 감동적인 결과였고, 필자의 연구 방향에 큰 영향을 주었다. 이후 포항공대 이현우 교수님과 고동욱 박사님이 오비탈 각운동량의 흐름에 대한 아주 구체적인 모델을 만들어, 기존 스핀 홀 현상을 이용한 소자보다 에너지 효율이 높은 전자소자를 만들 수 있음을 제안하였다.

스핀과 관련된 새로운 현상의 발견과 에너지 효율이 높은 전자소자의 개발. 이것은 기존 스핀트로닉스 연구의 궁극적인 목표라고 할 수 있다. 스핀 홀 현상을 이용하기 위해서는 스핀-궤도 결합이 강해야 한다는 물질 선택의 제한이 있었는데, 순수한 오비탈 각운동량의 흐름, 즉 오비탈 전류의 경우 물질 선택의 폭을 더 넓게 해줄 것으로 기대하고 있다. 아직은 매우 초기단계의 연구 주제이기 때문에 학계에서 쉽게 받아들여지지 않고 있다. 게다가 오비탈의 관측 자체가 실험적으로 상당히 까다롭기 때문에 오비탈 관련 현상을 관찰했다 하더라도 증명하는 것이 쉽지 않다. 하지만, 물리학의 발전이라는 것이 항상 새로운 접근과 그것에 대한 비판적인 시각들을 설득해 나가면서 이루어졌듯이 오비탈 관련 연구도 결국에는 학계에서 일반적으로 받아들여지는 시기가 곧 올 것이라고 믿는다. 특히, 한국인 과학자들을 중심으로 연구가 활발히 진행되고 있는 점은 고무적이다. 성공적인 연구 결과로 전 세계 많은 과학자들에게 영감을 줄 수 있다면 이 분야만큼은 우리나라가 최선단에 설 수 있다는 것을 의미하기 때문이다.

이번 특집에서는 물리학자들에게 아직 생소한 오비탈 전류에 대한 개념과 오비탈 전류의 관찰 및 응용연구에 대한 원고 5편을 준비하였다. 너무 어렵거나 너무 쉽지 않도록 작성을 하였고, 잘 알려진 부분이라도 독자분들이 한 번 더 상기시키면 좋을 내용일 경우에는 자세하게 다루었다. 울산대학교 홍순철 교수님, 임성현 교수님, 김튼튼 교수님, 이년종 박사님, 박민규 박사님, KAIST 박병국 교수님, 이수길 박사님, 강민구 학생, 포항공대 이현우 교수님, 독일 율리히 연구센터 고동욱 박사님이 바쁘신 와중에도 설명하기 어려운 내용들을 잘 정리하여 집필해주신 것에 대해 다시 한번 깊은 감사의 말씀을 드린다. 끝으로 많은 독자분들이 본 특집을 즐겁게 읽어 주시고, 영감을 많이 받으시길 바라며 후기를 마친다.

[책임편집위원 울산대학교 물리학과 교수 김상훈 (sanghoon.kim@ulsan.ac.kr)]