“비가환 마그논, 현실이 되다” KAIST, 자성체 속 마그논-솔리톤 복합 상호작용 세계 최초 규명

KAIST(총장 이광형)는 물리학과 김세권 교수가 독일 마인츠 대학 리카르도 자르주엘라 박사와 공동연구를 통해 ‘쩔쩔맴 자성체(topologically textured frustrated magnets)’ 내에서 마그논(스핀파)과 솔리톤(스핀 소용돌이)의 상호작용이 단순하지 않고 복잡하게 설명된다는 사실을 세계 최초로 밝혀냈다고 22일 밝혔다.

마그논은 전류 대신 스핀의 움직임으로 정보를 전달하는 파동으로, 열 발생 없이 정보 처리 가능한 차세대 기술로 주목받고 있다. 지금까지는 마그논이 단순 자석 구조에서 한 방향으로 정렬된 스핀만을 대상으로 연구돼 왔으며, 수학적으로도 ‘가환(Abelian) 게이지 이론’으로 설명 가능했다.

하지만 연구팀은 쩔쩔맴 자성체와 같은 복잡한 스핀 구조에서는 기존 이론으로는 설명이 불가능하며, ‘비가환(non-Abelian) 게이지 이론’이 필요하다는 점을 세계 최초로 이론적으로 입증했다. 이는 마그논이 단순한 하나의 입자가 아니라, SU(3) 게이지 이론에 따라 세 가지 종류로 나눠 각각 솔리톤과 복합적으로 얽혀 상호작용한다는 뜻이다.

기존 선형 자성체에서는 마그논과 솔리톤의 상호작용이 양자전기역학(QED)으로 해석됐지만, 이번 연구는 보다 복잡한 양자색역학(QCD) 구조와 유사한 수준임을 밝혀낸 것이다.

김세권 교수는 “이번 연구는 쩔쩔맴 자성체의 복잡한 질서 속에서 발생하는 마그논의 동역학을 설명할 수 있는 강력한 이론적 틀을 제시했다”며 “비가환 마그노닉스를 최초로 제시함으로 양자 자성 연구 전반에 영향을 줄 수 있는 개념적 전환점이 될 것”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 리카르도 자르주엘라 박사가 제1저자로 참여해 물리 분야 최고 권위 학술지인 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’에 5월 6일자로 게재됐다.