스핀류와 위상학적 절연체

기존의 전자공학(electronics)이 ‘전하’와 ‘스핀’이라는 전자의 두 가지 기본 물성 중 ‘전하’만을 이용하던 것에 반해, ‘스핀트로닉스(spintronics)’는 나머지 하나인 ‘스핀’에서 기인하는 물성에 대해 폭넓게 이해하고, 나아가 새로운 물리 및 기술로의 응용을 염두에 두고 나날이 발전 중인 새로운 분야다. 전자가 스핀을 가진다는 사실은 오래 전부터 알고 있었지만, 나노 기술의 발전에 힘입어 스핀의 물성 현상을 직접 관측하고 이해하여 활용하기 시작한 것은 비교적 최근의 일이다. 유럽의 두 물리학자 페르(A. Fert)와 그륀베르그(P. Gruenberg)가 거대자기저항효과를 발표한 1987년이 스핀트로닉스의 원년이라고 할 수 있다. 스핀트로닉스는 단지 물성물리뿐만 아니라 공학적 응용 분야에서도 크게 각광 받고 있으며 거대자기저항 효과는 이미 90년대 말 하드디스크에 적용된 공로를 인정받아 2007년도에 페르와 그륀베르그 교수의 노벨물리학상 수상을 이끌어 낸바 있다. 이와 함께 최근 차세대 메모리로 각광 받는 MRAM(magnetic random access memory)역시 스핀트로닉스를 기반으로 한 기술이다 이 분야의 세계적 석학인 사이토, 두 저자는 스핀트로닉스와 관련된 물리를 설명하는 핵심 개념인 ‘스핀류(spin current)’에 대한 발견과 그에 대한 물리학적 정의, 성질, 최근의 연구 동향에 대해서 학부생 3~4학년 수준에서 접근할 수 있는 눈높이로 상세히 기술한다. 스핀류를 생성하고 제어하는 응용에 대해 ‘스핀 밸브(spin valve)’부터 ‘위상학적절연체(topological insulator)’까지 여러 사례들을 통해 설명해 두었다.

머리말 목차 제1장 들어가며 • 17 제2장 스핀류 • 27 2.1 전자스핀 • 27 2.2 전도전자의 스핀류 • 31 2.3 각운동량 보존법칙과 스핀류 •• 34 2.4 금속의 강자성 • 39 2.5 자화 다이나믹스와 완화 • 43 2.6 교환스핀류 • 46 2.6.1 교환상호작용과 스핀류 • 47 2.6.2 나노자기구조에 있어서 스핀류 • 50 2.6.3 스핀파 스핀류 • 54 제3장 스핀류의 물성현상 • 59 3.1 강자성체/금속 접합에서의 전류 및 스핀류 주입 • 59 3.2 스핀전달토크(spin transfer torque) • 72 3.3 스핀류 주입 자화반전과 자기 메모리 • 73 3.4 터널 자기저항 효과 • 79 3.5 스핀류에 의한 자구벽 이동 • 81 3.6 스핀파 도플러 효과 • 84 3.7 스핀펌핑 • 85 3.8 스핀제벡효과 • 94 3.9 불균일 자기구조와 스핀의존 게이지장 • 99 제4장 스핀홀 효과와 역스핀홀 효과 •103 4.1 스핀류의 전자기 효과 •103 4.2 스핀홀 효과 •107 4.3 역스핀홀 효과 •109 4.4 비평형 자기장 여기 •112 제5장 게이지장과 베리곡률 •115 5.1 전자기장, 게이지 변환, 모노폴 •116 5.2 베리 위상, 베리곡률 •123 제6장 내인성(intrinsic) 스핀홀 효과 •133 6.1 정수 양자홀 효과와 비정상 홀 효과 •133 6.2 홀 전도율과 베리곡률 •138 6.3 체른 수와 벌크―에지 대응 •145 6.4 란다우―뷔티커(Landauer‒Buttiker) 공식 •150 6.5 반고전적(semiclassical) 운동방정식 •152 6.6 자기장하의 2차원 전자계 •155 ―(좁은 의미의) 정수 양자홀 효과 6.7 비정상 홀 효과 •159 6.8 스핀홀 효과 •161 제7장 위상학적 절연체 •167 7.1 시간반전 대칭성 •169 7.2 2차원 위상학적 절연체 •173 7.3 3차원 위상학적 절연체 •187 7.4 표면 상태의 특이한 성질 •191 7.5 위상학적 절연체에 관련한 실험 •194 7.6 3차원 위상학적 절연체와 마요라나 페르미온 •200 부록A 스핀회로이론과 스핀믹싱컨덕턴스 •205 A.1 산란이론 •205 A.2 스핀류 회로이론 •209 부록B 참고도서 •219 부록C 참고문헌 •223 찾아보기 •235