「Nature Physics」 6월호 게재 김창영 교수(물리학)의 논문이 세계 최고 권위의 학술지「Nature Physics」 6월호에 게재됐다. 김 교수는 1차원계 양자 스핀 물질인 SrCuO2의 고 에너지 광전자 분석의 특별한 성질을 이용하여 스핀과 전하의 움직임이 뚜렷이 구별되는 현상을 관측했다. 이 관측은 전자의 스핀과 전하가 따로 움직임, 곧 '스핀-전하 분리' 현상의 가장 직접적이고 확실한 실험적 증거이다. 물질의 기본 단위인 원자는 원자핵과 전자로 이루어져 있다. 이 중 실제 물질의 여러 가지 성질을 결정하는 것은 전자인데, 전자가 어떻게 행동하는가에 따라 전자 산업의 근간이 되는 반도체가 될 수도 있고, 전류를 흘려주는 도체가 될 수도 있다. 그런데 전자의 특성을 나타내는 두개의 중요한 양이 전자의 '전하'와 '스핀'이다. 전자를 지구에 비유한다면 '스핀'은 지구의 '자전' 현상에 비유할 수 있다. 우리가 매일 쓰는 전기는 전자의 흐름이며 '스핀'은 물질의 자성 등을 결정해 주는 전자의 중요한 성질이다. 전하와 스핀이라는 전자의 이 두 가지 양은 분리해서 생각할 수 없는 것으로, 이는 마치 지구의 자전을 지구 자체와 분리해서 생각하는 것과 같이 일어날 수 없는 일이다. 하지만 1차원계 고체 내부에서는 전자의 전하와 스핀이 따로 분리되는 현상이 일어나는데 이를 '스핀-전하 분리'라 하며 이론적으로는 이미 1960년대에 예측되었지만 실험적으로 많은 노력에도 불구하고 확실한 검증이 되지 않았다. 이러한 현상의 학문적 중요성은 노벨상 수상자인 P. W. Anderson이 전자 발견 100주년을 기념하는 Physics Today의 특별 기고에서 이에 대하여 이야기한 것에서도 알 수 있다. 그 기고에서 Anderson 교수는 전자가 깨질 수 있는 3가지 특별한 경우를 예를 들었는데 그것들은 초전도 상태를 설명하는 BCS이론(1972년 노벨상 수상)의 입자 상태, 분수 양자 홀 효과(1998년 노벨상 수상) 및 스핀-전하의 분리이다. 김창영 교수가 '스핀-전하 분리'를 실험적으로 검증함으로써 전자의 스핀과 전하를 분리하여 개별적으로 응용할 수 있는 가능성을 마련했다. 스핀은 전하보다 양자 정보의 입출력 및 전달이 용이하여 최근 스핀트로닉스라는 분야가 새로 출현할 정도로 차세대 양자 IT 분야에서 집중적인 연구의 대상으로 부각되고 있다. 이러한 면에서 이 연구는 향후 기초 학문뿐만 아니라 응용기술 발전에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.