마법에서 과학으로: 자석과 스핀트로닉스

김갑진 지음

이음 2021년 11월 25일 출간 종이책 : 2021년 09월 08일 출간

작품소개

책소개

어렵게만 느껴지던 물리의 재미를 알게 되는 마법 같은 과학책!
왼손 방향 회전 스핀파를 세계 최초로 증명한 물리학자 김갑진,
자석에 이끌리듯 그가 이끄는 대로 질문의 여정을 따라가다 보면
어느새 자석과 전기, 스핀을 이해하게 된다!

》 저자 김갑진은 대단한 이야기꾼이다.
이 책을 읽어나가는 일은 친한 친구나 선배, 선생님이 본인이 하고 있는 과학 연구를 신나게 이야기하는 걸 나란히 앉아 듣고 있는 것과 비슷한 경험이다. 엄청나게 재미있는 이야기가 있는데, 들어볼래? 이런 이런 신기한 현상이 있었는데, 사람들은 그게 궁금해서 왜 그렇게 되는지 고민하고 찾았대. 그러고 나니 또 이런 게 궁금해졌다네?…그의 이야기를 따라가다 보면, 잊었던 혹은 잃었던 흥미가 절로 생겨나고 과학이 궁금해진다. 그런 면에서 저자는 대단한 이야기꾼이다.

》 저자 김갑진은 뛰어난 물리학자다.
365일 중에 362일 연구가 즐겁다는 저자는, 차세대 메모리 소자로 꼽히는 차세대 자구벽 기반 자기메모리의 속도를 획기적으로 높이는 기술을 개발하여 2018년 KAIST를 빛낸 10대 연구 성과로 선정된 바 있고, 1960년대에 이론으로만 소개됐던 왼손 방향으로 회전하는 스핀파를 세계 최초로 증명하여 KAIST 개교 50주년 기념 학술상을 수상하였고, 2020년 《Nature Materials》에 게재하였다. 또 아시아자기학회에서는 젊은 과학자상을 수상한 바 있다.

》 저자 김갑진은 친절한 선생님이다.
누구나 자석을 가지고 놀아본 적이 있고, 누구나 매일 전기를 쓰면서 살고 있지만, 일상의 편리함 안에 어떤 과학이 숨어 있는지는 그리 궁금해하지 않는다. 과학은 왠지 멀고도 어렵고 복잡한 것으로만 여겨졌는데, 저자는 호기심 많은 소년처럼 눈을 반짝이며 자꾸 질문을 던진다. 이런 거 너무 궁금하지 않아? 어때? 이렇다는데. 그럼 이건 어때? 이것도 신기하잖아. 정말 신기하게도 그의 이야기를 따라가다 보면 어느새 두려움은 사라지고 과학이 재미있다는 것을 이해하게 된다. 젊은 과학 선생님이 이렇게 재미있는 과학을 같이 배워보자고, 이리로 따라오라고 손짓하는 듯 느껴진다.
그는 자신이 10년 넘도록 치열하게 공부한 결과를 뒤에 오는 누군가는 조금 더 쉽게 이해할 수 있기를 바라며, 그 누군가에게 도움이 되고 싶어 이 책을 썼노라고 밝히고 있다. 그의 강의 동영상은 이미 조회 수 124만 회를 훌쩍 넘기고 있다. 학생들에게는 ‘인성과 실력 그리고 교육자로서의 프로페셔널한 마인드까지 갖추신 최고의 교수님’으로 평가받으며, 과학캠프 강연 등을 통해 미래 과학자를 꿈꾸는 초등학생, 중학생들과도 활발히 소통하고 있다.

》 끊임없이 이어지는 질문을 따라가보자.
자석은 누가 발견했을까. 자석과 전기는 어떤 관계인가. 원자는 어떤 모양일까. 보어의 가설은 어떻게 등장했을까. 자석의 힘의 원인은 무엇인가. 자석은 왜 다른 극끼리는 잡아당기고 같은 극끼리는 밀어낼까. 스핀은 무엇인가. 파울리 배타원리는 무엇인가. 자석의 성질은 어떻게 결정되는가. 스핀을 정렬시키는 작용은 무엇인가. 흐트러뜨리는 것은 또 무엇인가. 자석의 N극와 S극은 어떻게 고정되는가. 인류는 어떤 자석을 만들어 왔나. 자석에 전류를 흘리면 어떻게 되나. 스핀에 열을 가하면 어떻게 되나. 물체를 회전시키면 자석이 될까. 스핀트로닉스는 무엇인가. 컴퓨터 하드디스크는 어떤 원리로 작동하나, 새로운 메모리는 어떻게 개발되었고 연구되고 있나…

이 책을 읽는 독자는 다양한 질문들과, 그 답을 구하는 과정, 거기에서 다시 생겨나는 질문, 답을 찾는 과정을 함께 따라가다 보면, 물리학의 발견과 연구, 고대 중국 나침반의 원리부터 최신 메모리까지, 맥스웰의 방정식, 양자역학에 대한 이해까지 갖추게 된다. 물리학이 어려웠던 기억은 잠시 잊고, 친절한 안내자가 내미는 손을 붙잡고, ‘반짝이는 순간’으로 들어가 보자.

목차

들어가며

1장. 자석의 N극과 S극은 어디서 나오는 걸까
자석은 맨 처음 누가 발견했을까
전기는 누가 발견했을까
전기와 자기는 서로 관계가 있을까
전기와 자기는 어떻게 얽혀 있을까
전기와 자기를 주는 근원은 무엇인가
원자는 어떤 모양일까
원자를 어떻게 설명해야 할까
보어의 가설은 어떻게 등장했을까
왜 원자의 선스펙트럼은 자석에 영향을 받을까
진짜 원자는 어떤 모양일까

2장. 자석은 왜 밀고 당기는 힘을 주는 걸까
자석이 주는 힘의 원인은
자기력을 어떻게 이해해야 할까
자석은 왜 같은 극끼리 밀어낼까

3장. 스핀이란 무엇인가
도대체 스핀이란 무엇인가
스핀의 존재를 실험으로 증명할 수 있을까
원자에서 전자의 스핀은 어떤 식으로 배치되어 있을까
왜 하나의 양자 상태에는 하나의 전자만이 들어갈 수 있을까

4장. 자석이란 무엇인가
원자 자석이 여럿 모이면
자석의 성질을 결정하는 원자의 상호 작용은
스핀을 정렬시키는 상호 작용은
무엇이 스핀 정렬을 흐트러뜨리는가
반자성체에 자기장을 가하면
철은 정말 자석일까
자석의 N극와 S극은 어떻게 고정될까
인류는 어떤 자석을 만들어 왔을까

5장. 자석을 재발견하다
원자를 층층이 쌓아 인공 자석을 만들 수 있을까
자석에 전류를 흘리면
전류로 자석의 방향을 바꿀 수 있을까
회전하면서 앞으로 나아가면
스핀의 흐름은 어떻게 정의할까
열을 주었을 때 스핀은 어떻게 반응할까
물체를 회전시키면 자석이 될까

6장. 자석 연구의 최전선
스핀트로닉스는 인류의 발전에 어떤 기여를 했나
하드디스크의 한계는
스핀 전류를 이용하는 새로운 메모리는
레이스트랙 메모리를 실현할 수 있을까
궁극의 메모리란
자석의 쓰임새는 무궁무진하다

나오며

출판사 서평

시리즈 소개
KAOS×Epi | 반짝이는 순간

과학의 탐구는 인류가 당면한 질문들에 대해서 가능한 자원을 모두 동원해서 최선의 대답을 해보려는 노력이다. 그렇게 얻은 대답은 짙은 구름 사이로 한 줄기 빛이 비치는 것처럼 희망을 주기도 하고 실제로 역사의 흐름을 바꾸기도 한다. 이렇게 통쾌한 순간들을 모아 〈반짝이는 순간〉 시리즈를 시작한다. 강연을 통해 과학지식을 많은 사람들과 공유하는 카오스재단과, 과학에 대한 비평적 시선을 견지하는 과학잡지 에피가, 이 시대의 질문들에 대한 대답을 찾고 있는 과학자들의 연구와 육성을 함께 기록해서 독자들과 나눈다. 과학자들의 연구가 우리의 삶을, 그리고 세계를 어떻게 바꾸었고, 또 어떤 방향으로 이끌 것인지 궁금한 모든 독자들이 ‘반짝이는 순간’을 함께 경험하기를 기대한다.

작가정보

저자(글) 김갑진

저자 : 김갑진
경북 의성에서 태어나고 자랐다. 어려서부터 마늘 심는 기계를 만들어 부모님을 돕겠다는 꿈을 가졌으나, 고등학교 선생님의 “물리학자가 되면 온 인류를 도울 수 있다”는 말씀에 물리학의 길을 걷기로 결심했다. 막상 물리학을 공부해보니 ‘나 같은 사람이 할 수 있는 것이 아니구나!’ 라는 생각에 방황하였지만, ‘나 같은 사람도 열심히 하다 보면 언젠가 이해할 수 있지 않을까?’라는 생각에 계속해서 이 길을 고집하고 있다. 자석을 연구하며, 자성의 근원인 스핀을 이용하여 인류를 도울 수 있는 방법을 찾고 있다. 이유는 잘 모르겠지만 1년 365일중 362일 정도는 연구가 즐겁다. 어쩌다 출연한 2019년 카오스재단 강연이 큰 인기를 끌어 조회수 124만회를 돌파하였다.

서울대학교 자연과학대학 최우수 박사학위 논문상 수상
2017 KAIST를 빛낸 10대 연구 성과 선정 (자기메모리 속도를 획기적으로 높이는 기술 개발)
KAIST 개교 50주년 기념 학술상 수상 (왼손 방향으로 회전하는 스핀파 세계 최초 증명)
아시아 자기학회 젊은 과학자상 수상
교토대학 화학연구소 젊은 과학자상 수상

2000~2004 | 서울대학교 사범대학 물리교육과(학사)
2005~2011 | 서울대학교 물리천문학부(박사)
2011~2013 | 교토대학교 화학연구소 박사후연구원
2013~2016 | 교토대학교 화학연구소 조교수
2016~ 현재 | 카이스트 자연과학대학 물리학과 조교수/부교수