[이현우 교수 연구실]Intrinsic Spin and Orbital Hall Effects from Orbital Textu…

(왼쪽) 페르미 표면에 정렬된 오비탈에 전기장이 가해지면 각각의 양자상태가 오비탈 각운동량을 갖게 되면서 오비탈 홀 효과가 나타난다. (오른쪽) 스핀-궤도 상관관계의 부호에 따른 스핀과 오비탈 홀 효과의 관계.  (Left) When an external electric field applied to an orbital texture at the Fermi surface, each quantum state is induced to have nonzero orbital angular momentum, which leads to the orbital Hall effect. (Right) Relation between the spin and orbital Hall effects depending on the sign of the spin-orbit correlation.

포스텍(포항공대) 이현우 교수 연구팀이 스핀 및 오비탈 홀 효과의 메커니즘으로 오비탈 자유도의 결정적인 역할을 규명했다.

물리학과 이현우 교수 연구팀의 고동욱 연구원, 조대근 학생, 그리고 서울대학교의 김창영 교수와의 공동연구를 통해 스핀 및 오비탈 홀 효과의 메커니즘으로 오비탈 자유도의 결정적인 역할을 규명했다고 밝혔다. 이 연구는 물리분야 대표적인 저명 학술지인 피지컬 리뷰 레터 최신호에 게재됐다. 이번 연구는 고체 내 오비탈 자유도의 동역학 및 전도현상의 새로운 가능성을  개척했다는 평가를 받고 있다.
스핀 홀 효과는 물질에 전기장을 가했을 때 수직한 방향으로 스핀 전류가 생성되는 현상을 말한다. 스핀 홀 효과를 이용하면 강자성체 없이도 스핀 전류를 전기적으로 생성할 수 있기 때문에 스핀 홀 효과는 스핀트로닉스 연구에서 매우 중요한 위상을 차지하고 있다. 스핀 홀 효과의 메커니즘으로는 스핀-궤도 결합이 중요할 것으로 여겨져왔지만 스핀과 함께 오비탈 자유도가 어떤 역할을 하는지에 대해서는 지금까지 명확히 알려진 바가 없었다. 
뿐만 아니라 지금까지 많은 연구자들은 오비탈 급랭 (orbital quenching) 이라는 현상 때문에 고채 내 오비탈 자유도는 동역학 및 전도현상에서 중요하지 않을 것이라고 여겨왔다. 그러나 본 연구에서는 오비탈 자유도를 고려하면 스핀-궤도 결합 없이도 오비탈 홀 효과가 나타남을 규명하였고, 스핀-궤도 결합으로 인해 스핀 홀 효과가 오비탈 홀 효과를 따라 나타남을 확인하였다.
이번 연구를 통해 스핀 및 오비탈 홀 효과의 메커니즘을 이해함으로써 위 효과들을 극대화하는 방법도 알게 되었다. 이는 향후 스핀트로닉스 소자 개발에 매우 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 뿐만 아니라 스핀 뿐만 아니라 오비탈 자유도 역시 전도현상에 결정적으로 관여한다는 것을 알게 되었다.
연구를 주도한 이현우 교수는 “이번 연구 성과는 오비탈 자유도의 동역학 및 전도현상의 새로운 가능성을 열었다”고 밝혔다.

We show theoretically that both the intrinsic spin Hall effect (SHE) and orbital Hall effect (OHE) can arise in centrosymmetric systems through momentum-space orbital texture, which is ubiquitous even in centrosymmetric systems unlike spin texture. The OHE occurs even without spin-orbit coupling (SOC) and is converted into the SHE through SOC. The resulting spin Hall conductivity is large (comparable to that of Pt) but depends on the SOC strength in a nonmonotonic way. This mechanism is stable against orbital quenching. This work suggests a path for an ongoing search for materials with stronger SHE. It also calls for experimental efforts to probe orbital degrees of freedom in the OHE and SHE. Possible ways for experimental detection are briefly discussed.