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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 이 분야의 세계적 석학인 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.

이 책은 스핀류를 중심으로 스핀트로닉스 기초 물리의 최신 진보를 정리한 것이다. 최근 스핀류의 개념은 물성물리나 전자공학의 여러 영역에 걸쳐 등장하며 새로운 현상을 발견하는 유용한 지도 원리의 역할을 제공하였다. 기초물리에 있어서도 기하학적 위상이나 상대론 등 현대물리학의 재미있고 아름다운 부분과 연결되어 있다는 것도 밝혀지고 있다. 또 한편, 스핀류의 개념은 메모리 소자의 개발 등에 응용되어, 그 중의 일부는 실용화에 근접해 있기도 하다.

스핀류에 많은 관심이 집중되게 된 계기 중 하나는 스핀홀 효과?역스핀홀 효과의 발견이다. 이 발견 덕에 스핀류의 검출이 쉽게 이루어질 수 있었다. 더욱이, 스핀홀 효과의 이론적인 고찰을 계기로 양자 홀 상태와 같은 위상학적인 질서를 가진 위상학적 절연체의 존재가 예측되어, 실험적인 확인이 진행되었다. 위상학적 절연체의 물리는 현재 독립된 하나의 분야로 나아가고 있다.

이러한 다이나믹한 전개는 물리학, 재료공학, 전자공학 등 서로 다른 분야의 연구자가 힘을 합쳐 열정적으로 연구한 결과로서, 특히 실험물리와 이론물리의 밀접한 상호작용이 큰 기여를 했다고 말할 수 있다. 이 책은 ‘이러한 현장의 활기를 전해주고 싶다’라는 생각으로 쓰였다. 특히, 물리의 아름다움을 만끽하면서도, 응용에 직결될 수 있는 유용한 현상들을 이해하기 쉽게 설명하려고 노력했다.

이 책을 읽기 위한 예비지식은 대학교 학부 3학년 정도의 기초물리 수준을 가정했다. 또한 실제 연구 현장에서 빈번하게 쓰는 계산이나 개념을 자세하게 설명했으므로(예를 들면 2.1절이나 부록), 학부 학생부터 대학원생을 대상으로 한 교과서로서도, 또한 현장의 연구자가 지식을 정리하기 위한 참고서로서도 이용 가능할 것으로 생각된다.

제1장부터 제4장 및 부록을 사이토 이에지가, 제5장부터 제7장을 무라카미 슈이치가 주로 집필하였으나, 전체의 내용은 저자 두 명이 공동으로 검토를 하여 일관된 논리를 갖춘 구성이 되도록 편집하였다.

신성철(KAIST 총장)
전자가 스핀을 가진다는 사실은 이미 100년 전부터 알고 있었지만, 스핀의 흐름을 연구하기 시작한 것은 극히 최근의 일입니다. 또한, 근래에 들어서 위상학적 절연체라는 물질이 보고되고 있는데, 이 물질은 절연체임에도, 표면에서는 도체가 되는 재미있는 물질입니다. 이러한 새로운 물질이나 개념이 최신 물리학을 이끌고 있습니다.
국내에서 전자스핀의 연구는 1980년대 후반부터 KAIST에서 시작되었습니다. 당시에는 연구 여건이 매우 열악한 상황이어서 연구 수행에 어려움이 많았습니다. 그러나 이러한 열악한 여건에도 불구하고 여러 연구자들의 노력과 열정으로 우수한 연구 결과들이 창출되었고, 한편 해당 연구 분야에서 2세대, 3세대의 후속 세대가 배출되었습니다. 이 책의 번역자인 김갑진 교수는 국내 전자스핀 연구의 3세대인 대표적 소장 학자로 현재 KAIST에서 스핀 동역학 연구단을 이끌고 있습니다. 물리학에 흥미가 있는 학생들이 이 책을 통해 최신 물리학의 개념을 빠르게 습득하여, 이제 국내에서도 자성 학문 발전의 획을 긋는 새로운 물리학 개념을 만들어낼 수 있는 날이 오기를 기대하겠습니다.

이재일(인하대 물리학과 교수)
요즈음 화두가 되고 있는 ‘4차 산업혁명’은 기존의 산업에 정보통신 기술을 덧붙여 산업의 변혁을 이끌어내는 것입니다. 정보통신 기술은 정보의 저장이나 정보의 송수신이 중요한 축을 이룹니다. 최근 들어 전자의 전하를 이용하는 기존의 전자공학뿐만 아니라 전자의 스핀까지 이용하는 스핀전자공학, 즉 ‘스핀트로닉스’가 관심을 끌고 있으며 정보 저장 기술의 발달에 많은 기여를 하고 있습니다. 이러한 시점에서 전자의 ‘스핀’과 관련한 유익한 책이 있었으면 하던 차에 일본의 사이토 교수님과 무라카미 교수님 두 분의 공저인 『스핀류와 위상학적 절연체』가 KAIST 김갑진 교수님의 번역으로 출간되게 되어 이 분야 연구자의 한 사람으로 매우 반가운 마음입니다.

신경호(한국자기학회 회장)
2007년 노벨상을 거머쥔 유럽의 물리학자 두 명이 거대자기저항효과를 발표한 1987년이 스핀트로닉스의 원년이라고 할 수 있습니다. 스핀트로닉스의 새로운 분야인 ‘스핀의 흐름’에 대한 연구는 그 개념을 본격적으로 도입하기 시작한 것이 10년이 채 되지 않은 만큼 아직 최첨단 연구 주제라 할 수 있습니다 ‘스핀의 흐름’에 대한 연구의 궁극적인 목표는 스핀의 흐름을 생성하고, 제어하는 것입니다. 이러한 목적과 관련하여 등장한 새로운 물질이 바로 ‘위상학적 절연체’입니다. 위상학적 절연체는 표면에서만 전류가 흐르는 재미있는 물질로서, 이때 흐르는 전류는 특정 스핀의 흐름을 보이게 됩니다.
본서에서는 현대 과학이 이해하고 있는 ‘스핀류와 위상학적 절연체’의 근본원리를 알기 쉽게 설명하고 있습니다. 또한 최신 연구 결과를 소개하여, 자성학의 최전선을 맛볼 수 있는 기회를 제공합니다. 저자인 사이토, 무라카미 교수와 번역자인 김갑진 교수는 이 분야의 권위자로, 쉽게 이해하기 힘든 최신 연구 결과를 학생들이 이해할 수 있도록 풀어서 설명하고 있습니다. 이를 통하여 학생들이 쉽게 새로운 물리 개념을 익히고, 최첨단 연구를 맛볼 수 있기를 기대합니다.

머리말

목차
제1장 들어가며ㆍ17

제2장 스핀류ㆍ27
2.1 전자스핀ㆍ27
2.2 전도전자의 스핀류ㆍ31
2.3 각운동량 보존법칙과 스핀류ㆍ34
2.4 금속의 강자성ㆍ39
2.5 자화 다이나믹스와 완화ㆍ43
2.6 교환스핀류ㆍ46
2.6.1 교환상호작용과 스핀류ㆍ47
2.6.2 나노자기구조에 있어서 스핀류ㆍ50
2.6.3 스핀파 스핀류ㆍ54

제3장 스핀류의 물성현상ㆍ59
3.1 강자성체/금속 접합에서의 전류 및 스핀류 주입ㆍ59
3.2 스핀전달토크(spin transfer torque)ㆍ72
3.3 스핀류 주입 자화반전과 자기 메모리ㆍ73
3.4 터널 자기저항 효과ㆍ79
3.5 스핀류에 의한 자구벽 이동ㆍ81
3.6 스핀파 도플러 효과ㆍ84
3.7 스핀펌핑ㆍ85
3.8 스핀제벡효과ㆍ94
3.9 불균일 자기구조와 스핀의존 게이지장ㆍ99

제4장 스핀홀 효과와 역스핀홀 효과ㆍ103
4.1 스핀류의 전자기 효과ㆍ103
4.2 스핀홀 효과ㆍ107
4.3 역스핀홀 효과ㆍ109
4.4 비평형 자기장 여기ㆍ112

제5장 게이지장과 베리곡률ㆍ115
5.1 전자기장, 게이지 변환, 모노폴ㆍ116
5.2 베리 위상, 베리곡률ㆍ123

제6장 내인성(intrinsic) 스핀홀 효과ㆍ133
6.1 정수 양자홀 효과와 비정상 홀 효과ㆍ133
6.2 홀 전도율과 베리곡률ㆍ138
6.3 체른 수와 벌크―에지 대응ㆍ145
6.4 란다우―뷔티커(Landauer?Buttiker) 공식ㆍ150
6.5 반고전적(semiclassical) 운동방정식ㆍ152
6.6 자기장하의 2차원 전자계ㆍ155
―(좁은 의미의) 정수 양자홀 효과
6.7 비정상 홀 효과ㆍ159
6.8 스핀홀 효과ㆍ161

제7장 위상학적 절연체ㆍ167
7.1 시간반전 대칭성ㆍ169
7.2 2차원 위상학적 절연체ㆍ173
7.3 3차원 위상학적 절연체ㆍ187
7.4 표면 상태의 특이한 성질ㆍ191
7.5 위상학적 절연체에 관련한 실험ㆍ194
7.6 3차원 위상학적 절연체와 마요라나 페르미온ㆍ200

부록A 스핀회로이론과 스핀믹싱컨덕턴스ㆍ205
A.1 산란이론ㆍ205
A.2 스핀류 회로이론ㆍ209

부록B 참고도서ㆍ219

부록C 참고문헌ㆍ223

찾아보기ㆍ235