Spin-caloritronics

연구분야 Spin-caloritronics

'스핀 칼로리트로닉스 (spin caloritronics)'는 고체 내 열, 전자 및 자성 사이의 상호작용을 다루는 신진 열전분야이다.(그림 1). 2008년 스핀 제벡효과 (Spin-Seebeck effect, SSE)가 발견되면서 관련 연구가 본격화 되었고 , 이후 스핀 의존 제벡효과 (spin-dependent Seebeck effect) , 스핀 펠티에 효과 (spin-Peltier effect) 등 여러가지 새로운 현상의 발견으로 이어지고 있다.

그림 1. 스핀-칼로리트로닉스 개념

스핀 제백효과는 기존의 전하기반 제백효과와 달리 전자 내 스핀을 활용하여 물질 내 열에너지 (또는 온도 구배)를 전기에너지로 바꾼다. 이렇게 추가된 스핀의 자유도는 열전소재의 성능을 향상시키기 위해 제어 가능한 매개변수의 개수를 늘릴 뿐 아니라, 기존 열전소자의 단점을 보완하는 새로운 장치의 디자인을 가능하게 해준다. 스핀 기반 열전소자는 기존 열전효과의 장점 (정적, 긴 수명, 높은 전력밀도 등)을 그대로 가지는 동시에, 열전도도와 전기전도도를 독립적으로 제어하는 것이 가능하여 두 인자의 상충으로 인해 발생하는 열전소자의 내재적 단점을 극복할 수 있게 해준다. 이러한 단점는 열전소자 분야의 오랜 과제 중 하나였다. 또한, 종래의 전하 기반 열전소자가 두 가지 유형의 재료 (예 : n- 및 p- 형 반도체)를 필요로 했던 반면, 스핀 기반 열전소자는 온도 구배와 전기 출력이 서로 수직한 구조적 특성으로 인해, 한가지종류의 재료로만 구현이 가능하다 (그림 2).

그림 2. 제벡효과와 스핀제벡효과의 구조적 차이

우리 그룹은 다양한 스핀-칼로리트로닉 효과를 활용하여 보다 효율적인 열전 장치를 개발하고자 한다. 이를 위해 고체 내부의 열, 전자 및 자성 사이의 상호작용을 이해하기 위한 기초 연구를 수행하고, 이를 기반으로 하는 새롭고 흥미로운 물리적 현상을 발견하고자 한다. 또한, 이렇게 발견된 현상 및 새로운 재료의 탐색을 통하여 새로운 개념의 소자를 구현하는 연구를 수행하고 있다.

  • 1. K. Uchida et al., Observation of the spin Seebeck effect, Nature, 455, 7214 (2008).
  • 2. A. Slachter et al., Thermally driven spin injection from a ferromagnet into a non-magnetic metal, Nature Phys, 6, 879–882 (2010)
  • 3. J. Flipse et al., Direct observation of the spin-dependent Peltier effect, Nature Nanotech, 7, 166–168 (2012).