본서는 『현대 강좌·자기공학 3: 스핀트로닉스 ― 기초 편』의 후속권이다. 기초 편이 스핀트로닉스의 이론적 측면에 대한 이해를 목적으로 집필된 데 비해, 본서는 스핀트로닉스의 실험 연구 및 개발 현장에서 연구를 수행하는 대학원생(학부 상급생 포함)과 대학원생을 대상으로, 스핀트로닉스의 실제적인 실험 기법과 연구 개발의 지침을 제공하는 것을 목적으로 집필되었다. 이를 위해 실제 실험 결과의 소개는 물론, 실험 방법과 원리에 대한 해설, 스핀트로닉스 재료와 소자에 대한 구체적인 예시를 적극적으로 다루었다.

한편, 물성 상수나 소자 파라미터를 활용하여 올바르게 실험을 설계하거나, 새로운 소자를 제안·설계하는 등 물성에 기반한 사고가 매우 중요하다. 이러한 이유로 본서는 기초 편을 먼저 읽는 것이 바람직하다고 할 수 있으나, 본서만을 읽더라도 스핀트로닉스 응용에 관한 실험적 지식을 습득할 수 있도록 다음과 같은 점에 유의하여 집필되었다.

첫째, 고체전자론과 스핀트로닉스의 기초와 관련된 부분은 필요한 최소한의 이해를 제공하기 위해 본문에서 간략히 설명함과 동시에, 기초 편과 직접적으로 연결되는 내용도 포함하였다.

둘째, 소자 설계에서 중요한 현상에 대한 이해는 비교적 상세하게 기술하였다.

셋째, 그림과 개념도를 풍부하게 수록하는 데 주의를 기울였다.

넷째, 기초 편 출간 이후의 연구 진전에 대해서는 이론적인 내용도 일정 부분 포함하여 소개하였다. 이 부분에 대해서는 이해를 위해 필요한 전자론의 기초 설명이 다소 부족하게 느껴질 수도 있으나, 이러한 점은 양해를 바란다.

제1장에서는 역사적 흐름에 따라 스핀트로닉스에 필요한 양자역학과 고체전자론을 매우 간략히 설명하고, 스핀트로닉스 재료의 개요와 더불어 스핀트로닉스 발전의 역사를 서술하였다. 제2장에서는 스핀트로닉스의 실험과 소자 제작에 필요한 박막, 미세가공, 계측 기술에 대해 해설하였다. 제3장에서는 나노미터 크기의 자성체에 특유한 정적인 자기 구조에 대해 설명하였다. 제4장에서는 스핀트로닉스 각종 소자의 원리와 실제에 대해 상세히 다루었다. 제5장에서는 실제 응용 사례를 소개하였으나, 이 분야는 스핀트로닉스의 최전선에 해당하며 내용이 빠르게 구식이 될 수 있기 때문에, 대표적인 사례에 대해서만 간단한 설명으로 한정하였다. 제6장에서는 기초 편 출간 이후의 스핀트로닉스 발전에 대해 이론적 측면도 포함하여 소개하였다. 이 장의 내용 중에는 아직 전모가 명확히 밝혀지지 않은 것들도 많아, 향후 연구 동향을 지속적으로 지켜볼 필요가 있다. 내용상 난해한 부분도 있으나, 부록을 참고하여 이해에 도움을 얻기 바란다.

날로 발전하는 과학 기술 속에서 스핀트로닉스의 진보는 특히 두드러진다. 스핀트로닉스는 물리학과 전기·전자공학의 융합 분야로서, 전자론, 고체물리, 자기공학, 반도체공학, 광전자공학, 계측공학, 양자전자공학, 양자광학, 양자정보 등을 기초로 하여, 서로 밀접하게 연관되며 발전해 오고 있다. 본서의 분량상 제약과 저자들의 역량상 한계로 인해 이러한 모든 연관성을 충분히 전달하는 데에는 한계가 있다. 독자들은 각자의 관심에 따라 다른 전문 분야의 서적을 참고함으로써 이해를 더욱 심화시키기를 바란다. 이러한 관점에서 볼 때, 본서 출간 이후에는 본서에 이어지는 새로운 교과서들이 등장하여 그 시점에는 보다 명확해진 스핀트로닉스의 전체상을 잘 정리해 줄 것으로 기대한다.

본서의 집필에 있어 다음과 같은 분들께 많은 도움을 받았다. 이에 깊이 감사드린다: 아마다 유리 (天田友理), 아라키 야스후미 (荒木康史), 안도 카즈야 (安藤和也), 이시이 테츠야 (石井徹也), 오다 유미 (織田ゆみ), 가지오카 하루카 (梶岡春香), 기무라 다카시 (木村崇), 고토 미노리 (後藤穣), 사이토 히데카즈(齋藤秀和), 사쿠마 아키마사 (佐久間昭正), 사토 다카시 (佐藤岳), 시오타 요이치 (塩田陽一), 시타데 아츠오 (下出敦夫), 시라이시 마사시 (白石誠司), 스즈키 노리코 (鈴木法子), 세키 타케시 (関剛斎), 다카하시 사부로 (高橋三郎), 다니구치 도모히로 (谷口知大), 다무라 에이이치 (田村英一), 나카무라 카즈키 (中村一貴), 나와오카 고헤이 (縄岡孝平), 노무라 히카루 (野村光), 히비노 유우키 (日比野有岐), 후지모토 사토시 (藤本聡), 모리시타 히로키 (森下弘樹), 모리야 히로유키 (森谷裕幸), 미즈오치 노리카즈 (水落憲和), 미즈구치 마사키 (水口将暉), 미와 신지 (三輪真嗣), 모리야 라이 (守谷頼), 야쿠시지 케이 (薬師寺啓), 야마구치 테루후미 (山口皓史), 와타나베 타츠키 (渡部辰樹), 조재훈

본서는 스핀트로닉스라는 미지의 분야에 흥미를 갖게 된 독자, 그리고 이를 읽는 모든 이들을 이 분야를 더욱 발전시키는 새로운 방향으로 이끌고자 하는 바람을 담아 집필되었다.

 

2024년 7월

스즈키 요시시게·구보타 히토시·노자키 다카유키·유아사 신지·나카타니 도모야

 

 

책의 번역에 부쳐

과학을 한다는 것은 정말로 신나는 일이다. 그런 즐거움을 학생들에게 전해 주고 싶어 강연을 해 왔다. 전기와 자기, 자석을 넘어 스핀트로닉스라는 최첨단 과학까지 학생들에게 알려 주고 싶었다. 그러던 어느 날, 강연을 듣고 난 학생이 물었다. “스핀트로닉스가 정말 재밌는 것 같아요. 조금 더 깊이 공부해 보고 싶은데 어떤 책을 보면 되나요?” 머릿속에 내가 배웠던 교과서가 떠올랐지만 그 책은 영어로 된 두꺼운 책이었다. 스핀트로닉스를 처음 접하는 학생에게 알맞은 책이 떠오르지 않았다. 그러다가 내가 잠시 공부했던 일본 사회가 생각이 났다.

한국에서 박사학위를 마치고 일본에서 박사 후 연구원과 조교수 생활을 했었다. 일본 학생들의 책꽂이에는 마치 시집과 같이 얇은 교과서가 즐비했다. 교과서를 가볍게 들고 다닐 수 있음에 놀랐고, 그 종류가 엄청나게 많다는 것에 또 한 번 놀랐다. 많은 과학자가 자기 전공 분야에 대한 책을 쓰고, 그 책을 학생들이 보고 있다는 사실이 부러웠다. 그런 문화가 일본이 노벨 과학상을 많이 받는 이유 중 하나라는 생각이 들었다.

그에 반해, 우리나라에서는 대부분의 과학 전공 서적이 영어로 되어 있었고, 따라서 과학을 공부하기 위해 영어를 먼저 배워야 하는 구조였다. 영어를 못하더라도 과학을 좋아하는 학생들에게 최첨단 과학을 접할 기회를 줘야 하는 것 아닐까? 누군가는 책을 써야 한다고 생각했다. 그리고 아무도 그 일을 하지 않는다면, 나라도 해야 한다고 생각했다. 하지만 막상 한국에서 교수가 되자, 나에게 요구하는 일들이 너무 많아, 도무지 쓸 엄두가 나지 않았다. 왜 아무도 책을 쓰지 않는지 이해할 수 있게 되었지만, 마음 한편으로는 항상 아쉬움이 남았다. 그러던 중에, 내가 존경하던 오사카대학의 스즈키 요시시게 교수님께서 은퇴를 즈음하여 필생의 역작을 남겼다는 이야기를 듣게 되었고, 나는 바로 번역을 하겠다고 연락을 했다. 운이 좋았다.

무작정 번역을 하겠다고 했지만, 막상 하려고 하니 만만치가 않았다. 그래서 도움을 청했다. 한국인이지만 일본어를 잘 구사하는 원운재 박사와 황윤영 박사에게 도움을 요청했고, 흔쾌히 내 뜻에 동의해 주었다. 그렇게 번역이 시작되었다. 원서를 최대한 유지하려고 노력했지만, 어려운 내용은 보다 쉽게 설명하기 위해 저자의 의도가 벗어나지 않는 선에서 표현을 수정하기도 했다. 한자 말과 일본어 어투도 최대한 우리 어투로 바꾸어 표현하고자 노력했다.

이 책은 스핀트로닉스 응용 편이다. 사실 일본어 원서에는 스핀트로닉스 기초 편도 있지만, 조금 더 실용적으로 학생들에게 도움이 되는 책이라는 생각에 응용 편을 번역하게 되었다(스즈키 교수님이 응용 편을 집필했다는 것도 하나의 이유이다). 스핀트로닉스가 무엇인지 궁금한 고등학생이나 대학생, 그리고 막 스핀트로닉스 영역에 진입한 대학원 초년생에게는 무엇보다 좋은 길잡이가 될 것으로 믿는다. 또한, 스핀트로닉스 수업의 교과서로도 손색 없을 것으로 생각된다. 각 장의 마지막에는 연습문제도 있기에, 수업을 하는 교수님이나 수업을 듣는 학생들이 연습 삼아 풀어 보기에 좋을 것이다.

1장에서는 스핀의 개념부터 시작해 스핀트로닉스 분야에 대한 개괄적 설명이 나와 있고, 2장에는 실험 전공자의 입장에서 여러 가지 실험 테크닉이 구체적으로 나와 있다. 따라서 실험을 전공하는 대학원생에게 2장의 내용은 좋은 길잡이가 될 것이며, 이론을 전공하는 대학원생이라면 ‘실험을 이렇게 하는구나’ 정도를 이해하는 데 도움이 될 것이다. 3장에서는 스핀트로닉스의 기초가 되는 자기적 성질에 대한 설명이 나와 있으며, 4장에서는 스핀트로닉스를 활용한 다양한 소자와 그 원리를 소개하여, 스핀트로닉스 소자 활용에 관심이 있는 타 분야의 사람에게도 도움이 되도록 구성되어 있다. 5장에서는 스핀트로닉스 소자를 이용한 응용 분야를 소개하고, 6장에서는 최신 스핀트로닉스 분야에 대한 논의가 나와 있다. 특히 6장에는 현재 논쟁 중인 최신 결과가 나열되어 있으므로, 이후 학문의 전개에 따라 그 이해가 달라질 수도 있겠지만, 현재 연구 동향을 알 수 있다는 점에서 큰 도움이 될 것으로 생각된다. 기초적인 개념이나 어려운 수식은 모두 부록으로 배치하여, 식의 유도부터 차근차근 공부해 보고자 하는 학생이라면 부록이 큰 도움이 될 것이다.

책을 번역해서 출판하는 데에는 많은 분의 도움이 필요했다. 원서의 저자인 스즈키 교수님은 언제나 친절하게 내용을 설명해 주셨으며, 출판에 어려움이 되는 기술적 문제들을 모두 해결해 주셨다. 한글로 된 본인의 책을 당신의 아버님께 바치고 싶다고 하셨는데, 출간이 생각보다 빨리 진행되지 못해 송구스러운 마음이 크다. 책의 번역을 도와준 원운재 박사와 황윤영 박사에게도 고마움을 전한다. 책을 번역하면서 공부가 되었길 바라며, 이러한 경험이 일본에서 활동하는 데 도움이 되기를 바란다. 또한, 책을 검수하며 세세한 부분의 오류를 잡아준 연구실 학생들(도경, 지헌, 중민, 태우, 신형, 온유)에게도 감사함을 전하고 싶다. 그리고 마지막으로, 상대적으로 어려운 전공 서적임에도 선뜻 이 책을 출판하도록 허락해 주신 광문각출판사와 박정태 회장님께 감사의 인사를 전하고 싶다.

“덕분에 많은 학생이 꿈을 꿀 수 있게 되었습니다!”

 

2026년 8월

KAIST 교정에서

김갑진

[목 차]

서문

 

제1장 스핀의 발견에서 스핀트로닉스까지

　1.1 스핀이란

　　1.1.1 스핀의 발견

　　1.1.2 스핀의 이해

　1.2 스핀트로닉스 입문

　　1.2.1 스핀트로닉스의 무대가 되는 물질

　　1.2.2 스핀트로닉스

　제1장 연습문제

제2장 스핀트로닉스의 실험 기술

　2.1 증착 기술

　　2.1.1 진공 기술

　　2.1.2 진공 증착과 MBE

　　2.1.3 스퍼터 증착 기술

　　2.1.4 기타 증착 기술

　2.2 미세 가공 기술

　　2.2.1 미세 가공법의 종류

　　2.2.2 포토리소그래피

　　2.2.3 전자빔 리소그래피

　　2.2.4 집속 이온빔 가공(FIB 가공)

　2.3 계측 기술

　　2.3.1 저주파 영역에서의 측정법

　　2.3.2 스핀 동역학의 측정법

　제2장 연습문제

제3장 스핀트로닉스 물질·소자의 자기 구조

　3.1 마이크로 자기학과 자기 구조

　　3.1.1 정자기적 마이크로 자기학

　　3.1.2 강자성 미소 디스크와 나노와이어의 자기 구조

　　3.1.3 수직 자기 이방성(PMA)과 수직 자화 박막

　　3.1.4 닐 자구벽, 블로흐 자구벽과 카이럴리티

　　3.1.5 자기 스커미온

　3.2 자기 다층막에 작용하는 자기적 결합

　　3.2.1 강자성 다층막에서의 층간 교환 결합

　　3.2.2 강자성/반강자성 계면에서의 교환 바이어스

　　3.2.3 인공 반강자성체

　　3.2.4 정자기적 결합

　제3장 연습문제

제4장 스핀트로닉스 소자와 디바이스 물리

　4.1 자기저항 소자

　　4.1.1 이방성 자기저항 소자

　　4.1.2 거대 자기저항 소자

　　4.1.3 확산적 스핀 의존 전도의 물리

　　4.1.4 터널 자기저항 소자

　　4.1.5 발리스틱 스핀 의존 전도의 물리

　4.2 스핀 다이내믹스 소자

　　4.2.1 스핀 전류 발생 방법

　　4.2.2 스핀 토크 자화 반전 소자

　　4.2.3 스핀 토크 자화 반전의 물리

　　4.2.4 스핀 토크 자벽 구동 소자

　　4.2.5 스핀 토크 자벽 구동의 물리

　　4.2.6 전압 인가 자화 반전 소자

　　4.2.7 스핀 토크 발진 소자

　　4.2.8 스핀 토크 발진의 물리

　　4.2.9 스핀 토크 검출 및 증폭 소자

　4.3 스핀 열 소자 및 광 소자

　　4.3.1 스핀 열 효과 소자

　　4.3.2 스핀 광 소자

　4.4 반도체 스핀트로닉스 소자

　　4.4.1 강자성 반도체 소자

　　4.4.2 반도체 스핀 소자

　　4.4.3 반도체 스핀 양자 소자

　제4장 연습문제

제5장 스핀트로닉스의 응용

　5.1 자기 센서

　　5.1.1 하드디스크용 자기 센서

　　5.1.2 고감도 자기장 센서: TMR, NV 센터

　5.2 메모리

　　5.2.1 자기 랜덤 액세스 메모리(MRAM)

　　5.2.2 하드디스크의 마이크로파 어시스트 쓰기(MAMR)

　　5.2.3 레이스 트랙 메모리

　5.3 기타 응용

　　5.3.1 비휘발성 논리 회로

　　5.3.2 뉴로모픽 회로

　　5.3.3 양자 표준

　제5장 연습문제

제6장 스핀트로닉스의 전개

　6.1 베리 위상

　　6.1.1 내인성 이상 홀 효과

　　6.1.2 내인성 스핀 홀 효과

　　6.1.3 광학 응답에서의 베리 위상 효과

　6.2 스핀 전자기장

　6.3 반강자성 스핀트로닉스

　　6.3.1 고속 자벽 이동

　　6.3.2 반강자성 도메인의 전류 스위칭

　　6.3.3 교자성과 비공선 반강자성체

　6.4 궤도 전류와 포논의 각운동량

　　6.4.1 궤도 전류

　　6.4.2 각운동량을 갖는 포논

　6.5 기타 스핀트로닉스 발전

　　6.5.1 분자 스핀트로닉스와 CISS

　　6.5.2 초전도/강자성체 접합

　제6장 연습문제

 

부록 A 기본 사항에 관한 설명

　A.1 자화와 자기장의 정의

　A.2 슈뢰딩거 및 디랙의 파동 방정식

　A.3 하이젠베르크의 운동 방정식과 자화의 세차 운동

　A.4 MOKE에서의 3가지 자화 배치

　A.5 일반적인 자화 방향에서의 자기저항 효과와 이상 홀 효과

　A.6 고주파 회로의 기초 개념

　A.7 볼츠만 방정식

　A.8 란다우–리프시츠–길버트 방정식과 Brataas의 스핀 전류 회로 이론

　A.9 스핀파와 마그논

　A.10 스핀 홀 효과와 역스핀 홀 효과

　A.11 스핀 토크가 존재할 때의 일반화된 Thiele 방정식

　A.12 스핀 토크가 존재할 때의 매크로스핀 Fokker–Planck 방정식

　A.13 스핀 토크 진동의 복소 표현

　A.14 스핀 의존 전도에서의 Onsager 계수

　A.15 Rashba 해밀토니안

　A.16 미분기하

　A.17 게이지 원리와 게이지 장

　A.18 γˆ 행렬의 Dirac 표현, Weyl 표현 및 2차원 표현

　A.19 베리 위상

　A.20 k-표시(Bloch 파동 표시)

부록 B 본서에서 사용하는 약어표

부록 C 기초 물리 상수

부록 D 본서에서 사용한 변수의 정의

부록 E 주기율표