페삭 벤슨 기자 • 2025년 7월 17일
예루살렘, 2025년 7월 17일 (TPS-IL) — 이스라엘, 미국, 영국 과학자들로 구성된 팀이 평범한 금속에서 희미한 자기 신호를 감지함으로써 물리학에서 100년 된 미스터리를 풀었다고 목요일 히브리 대학교가 발표했다. 이 발견은 재료 과학, 전자공학, 양자 기술 분야에 새로운 지평을 열었다.
동료 검토를 거쳐 Nature Communications에 게재된 이 연구는 구리, 금, 알루미늄과 같은 비자성 금속에서 홀 효과(Hall effect)라고 불리는 광학 현상이 관찰된 최초의 사례이다.
1879년에 발견된 홀 효과는 자기장에서 전류가 휘어지는 현상이다. 철과 같은 자성 물질에서는 강력하고 측정 가능한 신호를 생성한다. 그러나 비자성 금속에서는 그 효과가 훨씬 미묘하다. 과학자들은 빛과 관련된 유사한 버전인 광 홀 효과가 존재하여 연구자들이 전자들이 자기장에 어떻게 반응하는지 “볼” 수 있을 것이라고 오랫동안 이론화해 왔다. 그러나 100년 이상 동안 이는 시야에서 벗어나 있었다.
히브리 대학교 전기 공학 및 응용 물리학 연구소의 아미르 카푸아 교수는 “시끄러운 방에서 속삭임을 들으려고 하는 것과 같았다”고 말했다. “모두가 속삭임이 거기에 있다고 믿었지만, 그것을 포착할 만큼 충분히 민감한 마이크가 없었다.”
박사 과정 학생인 나다브 암 샬롬과 카푸아 교수가 주도하고, 와이즈만 연구소, 펜실베이니아 주립 대학교, 맨체스터 대학교의 협력자들과 함께 작업한 이 팀은 희미한 효과를 초점으로 가져오는 새로운 접근 방식을 개발했다.
연구원들은 자기광학 케르 효과(MOKE)의 정제된 버전을 사용하여 440나노미터 청색 레이저와 빠르게 변조되는 자기장을 결합했다. 이는 기술의 민감도를 수십 배나 극적으로 향상시켜, 이전에 측정하기에는 너무 조용하다고 여겨졌던 금속에서 자기 반사를 감지할 수 있게 했다. MOKE는 자화된 표면에서 반사될 때 빛의 편광이나 강도가 변하는 물리적 현상이다.
카푸아 교수는 “구리나 금과 같은 금속은 자석에 달라붙지 않기 때문에 자기적으로 비활성이라고 생각할 수 있다”고 설명했다. “하지만 올바른 조건에서는 극도로 미묘한 방식으로 자기장에 반응한다. 처음으로 우리는 가시광선을 사용하여 이러한 반응을 감지할 수 있게 되었다.”
지금까지 이러한 효과를 측정하려는 과학자들은 나노미터 규모의 장치에 물리적으로 작은 전선을 부착하는 전기 프로브에 의존했는데, 이는 어렵고 느리며 방해가 되는 과정이었다. 대조적으로, 이 새로운 방법은 전혀 물리적 접촉이 필요하지 않다. 간단한 빛줄기만으로도 자기 행동을 밝힐 수 있다.
더 놀랍게도, 연구원들은 오랫동안 배경 잡음으로 무시되었던 희미한 광 신호가 의미 있는 정보를 담고 있다는 것을 발견했다. 이 “잡음”은 전자의 움직임과 스핀을 연결하는 양자 역학적 상호 작용인 스핀-궤도 결합에 묶인 뚜렷한 패턴을 따랐다. 이러한 행동을 이해하는 것은 스핀트로닉 메모리 및 양자 논리 장치와 같은 차세대 전자 장치를 개발하는 데 중요하다.
암 샬롬은 “라디오의 잡음이 단순한 간섭이 아니라 숨겨진 메시지라는 것을 발견한 것과 같다”고 말했다. “악기를 올바르게 조정함으로써 우리는 전자들이 실제로 무엇을 말하고 있는지 들을 수 있는 방법을 찾았다.”
그 영향은 광범위하다. 이 방법은 일반 금속의 자기 행동을 연구하는 새롭고 비침습적인 방법을 열어줄 뿐만 아니라 원자 수준에서 재료를 특성화하는 새로운 도구를 제공한다. 엔지니어들은 이 정보를 사용하여 더 빠른 프로세서, 더 정밀한 센서, 양자 효과를 기반으로 하는 저전력 컴퓨팅 시스템을 구축할 수 있다.
카푸아 교수는 “이 연구는 거의 150년 된 과학적 문제를 강력한 새로운 기회로 바꾼다”고 말했다.