석박통합과정 학생 류지훈씨와 박철환 교수가 수행한 연구에서 공간 반전 대칭성과 시간 반전 대칭성을 동시에 갖고 있어서 전자 에너지 밴드 구조가 축퇴되어 있는 물질도 숨어 있는 궤도 분극을 (hidden orbital polarization) 가질 수 있음을 발견하였다. 이 연구에서 숨은 궤도 분극 현상이 매우 일반적임을 보이기 위해서 다이아몬드, Si, Ge, GaAs 등 가장 보편적인 반도체와 보편적인 3차원 층상 구조물인 MoS2, WSe2 등의 전이금속 칼코젠 화합물들을 예로 들어서 현상을 설명하였다. 특별히 이러한 숨은 궤도 분극이, 최근에 발견되어 스핀트로닉스의 지평을 매우 넓힌 것으로 평가 받고 있는 숨은 스핀 분극을 [hidden spin polarization: Zhang et al., Nat. Phys. 10, 387 (2014)] 생성하기 때문에 숨은 스핀 분극보다 더 근본적인 물리 현상임을 보였다. 스핀-궤도 상호작용이 작은 물질은 숨은 스핀 분극은 없지만 숨은 궤도 분극은 큰 경우가 흔하다. 반도체 물질에서는 숨은 스핀 분극이 매우 작고 (스핀-궤도 상호작용이 다이아몬드, Si, Ge 중에 가장 큰 Ge 의 경우에도 1% 미만) 층상 구조물에서는 숨은 스핀 분극이 매우 큰데 (거의 100%), 하나의 통일된 이론 체계 안에서 두 현상을 모두 설명하였다. 더불어 압력이 가해진 층상 구조물에서 숨은 스핀 분극이 현격히 감소할 수 있음을 예측하기도 하였다. 이미 출판된 광전자분광학 실험에서 스핀 측정을 통한 숨은 궤도 분극의 증거를 논하였고, 스핀-궤도 상호작용이 없는 물질에서도 circular dichroism 실험을 통한 발견 방법을 제시하였다. 끝으로, 강자성을 이용한 전통적인 스핀트로닉스에서 벗어나서 최근에 연구자들이 많은 관심을 갖고 있는 반자성을 이용한 정보 처리와 저장에 숨은 궤도 분극이 숨은 스핀 분극보다 훨씬 중요한 역할을 할 수 있음을 실리콘 반도체에 대한 계산을 통해 보였다.

이 연구 결과는 NPG (Nature Publishing Group) Asia Materials 이번 달 호 온라인판에 실렸다.

Ji Hoon Ryoo and Cheol-Hwan Park, “Hidden orbital polarization in diamond, Si, Ge, GaAs and layered materials”, NPG Asia Materials 9, e382 (2017).