2005년에 Phys. Rev. Lett.에 [PRL 95, 066601 (2005)] 게재된 한 이론에 의하면, p 도핑된 Si에 전기장을 걸면 궤도각운동량을 (orbital angular momentum) 띈 전자들이 전기장에 수직 방향으로 흐르면서 궤도각운동량 전류 또는 orbital current가 생겨나야 한다. 이 논문 저자들은 이 결과를 토대로 오비트로닉스(orbitronics)라는 학문 분야를 제안하는데 스핀 자유도에 대해 연구하는 스핀트로닉스(spintronics)처럼 궤도 자유도에 대해 많은 연구가 필요할 걸로 예측한 셈이다.

그러나 이 이론 제안은 두 가지 이유 때문에 주목을 받지 못했다. 한 가지 이유는, orbital current를 측정할 수 있는 마땅한 실험 방법이 없다는 점이었고 다른 또 한 가지는, 좀 더 근본적인 이유로서, 전자가 궤도각운동량을 가지는 것 자체에 대한 거부감이었다. 고체물리 교과서에 의하면, 원자가 규칙적으로 배열된 고체에서는 원자 규칙성 때문에 결정장(crystal field)이 생겨서 p_x, p_y, p_z와 같이 궤도각운동량이 없는 원자 궤도 함수가 선호되고 p_x+ip_y, p_x-ip_y와 같이 궤도각운동량이 있는 원자 궤도 함수가 유지되기 힘들다. 궤도담금질(orbital quenching)이라고 불리는 이 현상은 상당수 고체물질에서 1 eV 내외의 강한 에너지로 작용되기 때문에 이를 상쇄할 다른 특별한 효과가 있지 않는 한 (예를 들어 강한 스핀-궤도 상호작용) 궤도각운동량이 재미있는 특성을 보일 가능성은 거의 없는 걸로 간주되었다.

이런 상식에 반기를 드는 이론 논문이 2011년에 발표되었다. 한국의 여러 학자가 관련된 이 논문에 의하면 [PRL 107, 156803 (2011)] 반전대칭성(inversion symmetry)이 강하게 깨진 고체물질에서는 스핀-궤도 결합이 없더라도 각운동량이 있는 원자 궤도가 평형 상태에서 구현될 수 있다는 것이 보고되었다. 그리고 한 걸음 더 나아가 반전대칭성이 깨지지 않은 고체물질에서도 외부전기장이 걸린 비평형 상태에서는 crystal field가 강하더라도 이를 이기고 궤도각운동량이 형성되면서 (그림 1 참조) orbital current가 생길 수 있다는 이론 결과가 2018년에 본 연구팀에 의해 발표되었다 [PRL 121, 086602 (2018)].

그림 1. 외부 전기장에 의해 궤도각운동량이 생성되는 과정에 대한 개략도 [PRL 121, 086602 (2018)]

이 논문 결과는 예전부터 알려져 있던 여러 수수께끼 같은 현상들을 이해할 수 있는 기반을 제공했다는 점에서 학계의 주목을 받았다. 예를 들어, 스핀-궤도 결합이 약한 물질에서 상당히 강한 스핀-궤도 결합 효과가 관측되거나, 스핀-궤도 결합이 강한 물질에서 스핀에 의해 궤도각운동량이 생겨나는 것이 아니라 궤도각운동량에 의해 스핀 특성이 발현되는 현상들은 [PRL 102, 016601 (2009)] 궤도담금질을 기반으로 한 직관으로는 이해하기 어려운 결과들이었다. 또한 앞 연구의 후속 연구를 통해 orbital current를 실험에서 측정할 수 있는 방법을 이론적으로 고안하고 이 이론의 예측들이 실험에서 확인되기 시작하면서 [arXiv:2002.00596, 2004.09165] 궤도자유도의 역학적 특성(dynamics properties)에 대한 오비트로닉스가 emerging field로 간주되기 시작하였다.

본 연구는 오비트로닉스 분야의 골격을 제대로 갖추기 위해, 궤도각운동량이 고체 내에서 생성되고 전송되는 현상 및 궤도각운동량 측정을 위한 더 나은 방법 고안, 그리고 궤도각운동량 특성이 강하게 나타날 수 있는 물질 예측 등의 연구를 수행하고자 한다.