인덕터는 현대 전기 회로의 기본 구성 요소이며, 정보 처리, 무선 회로, 이동 장치의 충전기 등 다양한 응용 분야에서 사용됩니다. 전통적인 전자기학에 기반한 일반적인 인덕터 또는 유도 코일은 자기 에너지 LI^2/2를 저장하며, 유도 기전력에 의해 dI/dt에 비례하는 전압을 생성합니다. 여기서 L은 인덕턴스이고 I는 입력 전류입니다. L의 크기는 코일의 감은 수와 단면적의 곱에 비례하기 때문에 그림 1(conventional inductor)과 같이 충분히 큰 L을 유지하면서 소자의 크기를 줄이는 것은 이론적으로 불가능합니다. 이러한 이유로 중요한 회로 요소임에도 불구하고 집적 회로에서 인덕터의 활용은 제한적이라고 알려져 왔습니다.

한편, 자성체의 자기적 특성을 결정하는 스핀들이 나선(helical)구조를 가지고 있다면, 전류가 흐를때 전도전자의 각운동량을 국부자화와 주고받게 되고, 전도전자에 전자기장을 가하는 효과를 갖게 합니다. 이때 창발하는(emergent) 전기장과 자기장은 양자 역학에서 중요하게 다뤄지고 있는 Berry 위상에 기반을 둔 현상으로, 그림 1과 같이 단면적이 줄어들수록 그 효과가 커진다는 이점이 있습니다. 즉, 나노미터 수준의 인덕터가 가능해진다는 것을 의미합니다. 이를 저는 ‘위상 인덕터’라고 부릅니다. 그러나, 스핀 나선구조를 갖는 자성체는 아주 드물며, 대부분 100K 이하의 온도에서만 나선구조를 유지할 수 있습니다. 저와 에너지 넘치고 긍정적인 학생들로 구성된 연구팀은 이번 연구를 통해 인공적인 스핀 나선구조를 갖는 자성물질을 개발할 것입니다. 이를 통해 10K 미만의 극저온의 초전도 시스템부터 500K의 동작온도가 요구되는 전기자동차 까지, 넓은 온도범위에서 동작할 수 있는, 나노 위상 인덕터를 개발하고자 합니다. 이러한 위상 인덕터의 개발은 1831년 패러데이에 의한 첫 발견 이후 코일 형태에서 벗어나지 못하고 있는 인덕터의 혁신적인 발전 및 응용으로 이어질 것입니다.

기존 인덕터와 위상 인덕터의 비교