스핀류와 위상학적 절연체

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.

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

사이토 에이지 저자 사이토 에이지는 일본 도후쿠대학 금속재료연구소와 원자분자재료과학 고등연구기구(WPI) 교수. 도쿄대학에서 물리공학으로 박사 학위를 받고, 게이오대학에서 강의했다. 주로 나노소자의 양자 물성, 스핀트로닉스, 강상관계의 양자 물성, 자성물리 등의 분야를 연구하고 있다. 과학기술진흥기구 ERATO를 총괄하고 있다.