서울대·이화여대 연구팀, 자성 물질에서 양자상태 발견

[이데일리 강민구 기자] 과학기술정보통신부는 박제근 서울대 교수 연구팀과 김성진 이화여대 교수 연구팀이 삼각격자 구조 자성 반데르발스 물질에서 새로운 양자상태를 발견했다고 29일 밝혔다.

연구진이 주목한 키타에프 모델은 벌집 구조를 가지는 물질에서 나타나는 양자 현상이다. 오류가 없는 양자컴퓨터를 구현할 수 있는 양자상태를 가지기 때문에 관심을 받고 있다. 그동안 국내·외 많은 연구자들은 벌집 구조 물질를 이용하여 키타에프 모델을 구현하는 데에 그쳤다.

박제근 서울대 물리학과 교수.(사진=과학기술정보통신부)

벌집 구조가 아닌 삼각격자 구조를 가진 물질이 양자상태를 가질 경우 양자 현상이 나올 수 있다는 것은 이론적으로만 알려졌다. 실제 물질에서 구현되지 못했다.

연구팀은 자성 물질에 대해 연구하던 중 기존에 사용하고 있던 물질 니켈을 코발트로 바꾸면 키타에프 모델이 구현되는 여러 가지 조건을 만족한다는 것을 알게 됐다.

연구팀이 사용한 아이오딘화 코발트는 약 40년 전에 합성이 가능하다는 것이 밝혀졌지만, 수분에 취약해 이에 대한 연구는 많지 않다. 연구팀은 자성물질 연구를 계속하며 이 물질을 보다 안정적인 상태에서 분석했다.

연구팀은 이론을 실험으로 증명하기 위해 일본 J-PARC 중성자 시설을 이용해 비탄성 중성자 산란실험을 하고, 스핀파를 측정했다. 실험결과는 미국 연구진과 공동연구를 통해 분석했다. 그 결과, 2차원 삼각격자에서 키타에프 모델을 실험적으로 구현했다.

연구 결과는 양자 컴퓨터에 활용할 키타에프 모델을 2차원 자성 반데르발스 삼각격자 물질에서 구현했다는 점에서 의미가 있다. 앞으로 응집물질물리, 양자 정보 분야에서 활용할 수 있다.

박제근 교수는 “2차원 물질에서 양자 얽힘이 있는 양자상태 발견이 중요하다”며 “자성 반데르발스 물질 분야에서 양자 얽힘이 중요한 양자상태를 발견해 이 분야를 주도했다”고 했다.

연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 피직스(Nature Physics)’에 29일 게재됐다.