김창수(한국표준연구원), 황인국(한국과학기술원), 문경웅(한국표준연구원), 안경모(충북대학교), 이경진(한국과학기술원), 고재현(한림대학교), 박병국(한국과학기술원), 최광용(성균관대학교), 황찬용(한국표준연구원), Advanced Materials e11289 (2025).

포논(phonon)은 고체 내 원자 격자의 양자화된 진동으로, 열과 소리를 전달하는 핵심적인 준입자(quasiparticle)이다. 최근 응집물질물리 분야에서는 특정 회전 대칭성을 가진 결정 구조에서 원자들이 단순한 선형 진동을 넘어 원형 궤적을 그리며 회전하는 ‘카이럴 포논(chiral phonon)’ 연구가 주목받고 있다. 카이럴 포논은 가상각운동량(pseudoangular momentum, PAM)을 운반하며, 이는 밸리트로닉스(valleytronics), 스핀 선택성(spin selectivity), 그리고 위상학적 물성 제어의 새로운 열쇠로 주목받고 있다. 그동안 광학 포논(optical phonon) 영역에서의 카이럴성은 일부 보고된 바 있으나, 실제 거시적인 열 전달에서 큰 역할을 담당하는 음향 포논(acoustic phonon) 영역에서의 카이럴성 및 그에 따른 PAM 보존 법칙은 실험적 측정의 난이도로 인해 미지의 영역으로 남아 있었다. 이에 본 연구에서는 브릴루앙 광산란(Brillouin light scattering, BLS) 기술을 이용해 α-석영(α-quartz) 내 카이럴 음향 포논을 세계 최초로 검출하고 그 역학적 보존 법칙을 규명하였다. 연구진은 오른손잡이성(right-handed) 및 왼손잡이성(left-handed) 구조를 가진 α-석영 단결정을 이용해 입사광의 헬리시티(helicity)를 정밀하게 제어하며 음향 포논 모드와의 상호작용을 측정하였다. α-석영은 P3₁21 또는 P3₂21 공간군에 속하며, 3회전 대칭성(C3)과 비공형(nonsymmorphic) 대칭성을 동시에 보유하여 카이럴 포논이 존재하기에 최적의 조건을 갖추고 있다.

▲ 원형 편광(RCP, LCP)과 α-석영에서의 카이럴 음향 포논 사이 상호작용을 나타낸 모식도. Brillouin 산란 과정에서 입사 광자의 헬리시티와 결정의 카이럴성에 따라 서로 다른 카이럴 음향 포논이 선택적으로 생성(Stokes)되거나 소멸(anti-Stokes)됨.

실험 결과, 횡파 음향(transverse acoustic, TA) 모드에서 입사광의 원편광 방향에 따라 산란광의 주파수가 미세하게 갈라지는 ‘에너지 이중항(energy doublet)’ 현상을 명확히 관측하였다. 이는 TA 포논이 단순한 진동이 아닌 고유한 회전 방향성과 카이럴성을 지니고 있음을 의미하며, 광자와 포논이 충돌할 때 가상각운동량이 엄격하게 보존된다는 물리적 증거를 제시한다. 반면, 종파 음향(longitudinal acoustic, LA) 모드에서는 이러한 주파수 분리가 나타나지 않아 비카이럴 특성을 보임을 확인하였으며, 이를 통해 결정 대칭성에 따른 포논 모드별 선택 규칙(selection rules)을 확립하였다. 이어 연구진은 가상각운동량 보존 법칙이 광자-포논 상호작용을 어떻게 지배하는지 이론적 모델과 대조하여 상세히 분석하였다. α-석영의 대칭성 하에서, 생성되거나 소멸되는 포논의 PAM은 입사광과 산란광의 헬리시티 차이(Δm=±1)에 의해 결정된다. 실험 결과, TA 포논 산란 시에는 광자의 헬리시티가 유지되는 반면, LA 포논 산란 시에는 헬리시티가 반전되는 현상을 확인하였으며 이는 이론적인 PAM 보존 모델과 일치한다. 특히 결정의 손잡이성(handedness)이 바뀔 때 TA 포논의 주파수 이동 방향이 반대로 나타나는 것을 확인하여, 관측된 현상이 외부 요인이 아닌 물질의 카이럴 구조에서 기인한 고유한 위상학적 특성임을 확증하였다. 이는 음향 포논의 카이럴성이 결정의 거시적인 대칭성과 직접적으로 연결되어 있음을 보여주는 결과이다. 마지막으로 연구진은 측정된 TA 포논의 에너지 분리 폭(약 250 MHz)을 바탕으로 음향 포논의 카이럴 분산 관계를 저파수(low-wavenumber) 영역까지 확장하여 제시하였다. 이는 광학 포논에 비해 에너지가 매우 낮은 음향 영역에서도 카이럴성이 유효하며, 비공형 대칭성에 의해 유도된 포논 밴드의 갈라짐이 실험적으로 측정 가능하다는 것을 입증한 것이다. 또한, 이러한 카이럴 음향 포논이 열 흐름의 방향성을 제어하거나, 스핀-포논 결합을 통해 자성체의 자화 방향을 조절할 수 있는 새로운 구동원이 될 수 있음을 시사하였다.

본 연구는 음향 포논의 카이럴성을 실험적으로 명확히 규명하고, 가상각운동량 보존 법칙이 음향 영역에서도 유효함을 입증하였다. 이 개념은 카이럴 포논을 이용한 스핀 칼로리트로닉스(spin caloritronics), 고효율 비가역 열 제어 소자 및 차세대 양자 정보 소자 개발에 새로운 방향성을 제시한다. 특히 SOT-MRAM과 같은 차세대 자성 소자에서 포논의 카이럴성을 이용한 새로운 스핀 주입 메커니즘을 설계하는 데 있어 핵심적인 물리적 토대를 제공한다는 점에서 그 의의가 매우 크다.

이근희(한국과학기술원), 김경환(연세대학교), 이경진(한국과학기술원), Nature Communications 17, 2236 (2026).

스핀트로닉스(spintronics)는 전자의 스핀 자유도를 이용해 자성체의 자화를 전기적으로 제어하는 기술로, 차세대 메모리와 스핀 기반 정보처리 소자의 핵심 물리로 주목받고 있다. 일반적으로 전류에 의해 생성된 스핀 전류가 국소 스핀과 상호작용하는 스핀 교환 상호작용(spin exchange interaction)을 통해 자화가 제어되며, 대표적인 예로 스핀-궤도 토크(spin–orbit torque, SOT)가 있다. 그러나 기존 이론에서는 전류 유도 자화 제어가 스핀 자유도에 의한 교환 상호작용에만 기반하여 설명되어 왔으며, 전자의 궤도 자유도(orbital degree of freedom)가 이러한 과정에 어떤 역할을 하는지는 거의 탐구되지 않았다. 이에 본 연구에서는 전자의 궤도 각운동량(orbital angular momentum, OAM)과 궤도 위치 자유도(orbital angular position, OAP)를 포함한 궤도 자유도를 고려하여, 궤도 교환 상호작용(orbital exchange interaction)이 전류에 의해 자성을 제어하는 새로운 물리 메커니즘을 제시하였다.

▲ 전류에 의해 생성된 궤도 자유도(orbital angular momentum, OAM 및 orbital angular position, OAP)가 스핀–궤도 결합과 궤도 교환 상호작용을 통해 자화에 토크를 가하며, 자기이방성과 감쇠를 변화시켜 자성을 전기적으로 제어할 수 있음을 보여주는 모식도.

연구진은 스핀-궤도 결합(spin–orbit coupling, SOC)을 갖는 강자성체에서 전류에 의해 생성되는 비평형 궤도 밀도(nonequilibrium orbital density)가 국소 궤도 자유도와 교환 상호작용을 통해 자성 특성을 변화시킬 수 있음을 이론적으로 분석하였다. 이를 위해 p-오비탈 기반 모델을 사용하여 궤도 자유도와 스핀 동역학을 동시에 기술하였으며, 전류가 흐르지 않는 경우에는 기존의 Landau–Lifshitz–Gilbert (LLG) 방정식이 자연스럽게 재현됨을 확인하였다. 또한 SOC에 의해 평형 상태에서도 유한한 OAM과 OAP가 형성되며, 이는 자기결정 이방성(magnetocrystalline anisotropy, MCA), 자기 감쇠(magnetic damping), 자성 관성(magnetic inertia)과 같은 자성체의 고유 물성에 직접적으로 기여함을 보였다.

전류가 인가되면 오비탈 홀 효과(orbital Hall effect, OHE)나 오비탈 라쉬바-에델스타인 효과(orbital Rashba-Edelstein effect)에 의해 궤도 전류가 생성되고, 이로부터 형성된 비평형 OAM 및 OAP 밀도가 강자성체의 국소 궤도와 교환 상호작용을 일으켜 새로운 자화 제어 효과를 유도한다. 이 과정은 기존의 스핀 교환 기반 토크와 달리 궤도 교환을 매개로 한 새로운 토크 메커니즘을 형성하며, 그 결과 자성체의 동역학 방정식에는 다음과 같은 네 가지 전류 유도 효과가 추가된다. 첫째, 전류에 의해 자이로자기비(gyromagnetic ratio)가 변화한다. 둘째, 자기 감쇠 계수(damping)가 전류에 의해 수정된다. 셋째, 전류가 자기결정 이방성(MCA) 자체를 변화시키는 새로운 형태의 토크를 유도한다. 넷째, 기존 SOT와 유사한 감쇠형(damping-like) 궤도 토크가 생성된다. 이러한 효과들은 모두 궤도 교환 상호작용에 의해 발생하며, 스핀 기반 토크와는 다른 대칭성과 물리적 기원을 가진다.

특히 이론적 추정에 따르면, 전이금속 강자성체에서 궤도 교환 상호작용의 크기는 스핀 교환 상호작용과 비교해도 무시할 수 없으며, OHE가 스핀 홀 효과(spin Hall effect)보다 큰 경우가 많기 때문에 궤도 교환 기반 자화 제어 효과가 스핀 기반 효과보다 더 크게 나타날 가능성도 제시되었다. 이는 기존 스핀트로닉스 패러다임을 확장하여 궤도 자유도를 적극적으로 활용하는 오비트로닉스(orbitronics) 기반 자성 제어의 가능성을 보여준다.

마지막으로 연구진은 이러한 이론적 예측을 검증하기 위한 실험 방법으로 고조파 홀(harmonic Hall) 측정과 스핀 토크 강자성 공명(spin-torque ferromagnetic resonance, ST-FMR) 측정을 제안하였다. 이러한 실험을 통해 전류에 의해 유도되는 자기이방성 변화, 감쇠 변화, 그리고 궤도 토크의 존재를 정량적으로 확인할 수 있을 것으로 예상된다.

본 연구는 자성 제어의 근본적인 상호작용을 스핀에서 궤도 자유도까지 확장함으로써 전류 기반 자성 제어의 새로운 메커니즘을 제시하며, 향후 스핀트로닉스 및 오비트로닉스 소자 설계에 중요한 물리적 기반을 제공한다는 점에서 큰 의의를 갖는다.