삼각격자 구조 자성 물질서 양자상태 세계 최초 발견

서울대·이화여대 연구팀 반데르발스서 키타에프 확인 오류 없는 양자컴퓨터 구현 응집물질·양자 정보 활용도↑

<아이오딘화 코발트(CoI2)의 구조 및 삼각격자에서의 키타에프 모델 도식. 사진=박제근 서울대 교수>우리 연구진이 삼각격자에서 양자물질 상태를 일으키는 존재를 세계 최초로 확인, 양자정보 분야에서 높은 활용 가능성을 제시했다. 과학기술정보통신부는 박제근 서울대 교수 연구팀과 김성진 이화여대 교수 연구팀이 삼각격자 구조 자성 반데르발스 물질에서 새로운 양자상태를 발견했다고 밝혔다. 2차원 물질에서 구현되는 이론적 모델인 키타에프 모델은 벌집 구조 격자 위 원자들의 스핀 상호작용을 기반으로 양자 컴퓨터에 사용할 수 있는 양자상태를 가져 오류 없는 양자컴퓨터를 구현할 수 있다. 벌집 구조가 아닌 삼각격자 구조를 가진 물질이 양자상태를 가지면 다양한 양자 현상이 나올 수 있다는 것은 이론적으로만 알려져 있으나, 실제 물질에서 구현된 적은 없었다. 이를 위해 국내외 많은 연구가 진행됐으나, 벌집 구조 물질을 이용해 키타에프 모델을 구현하는 데에 그쳤다. 연구팀은 자성 물질에 관한 연구 중 기존에 사용하던 물질 니켈(Ni)을 코발트(Co)로 치환할 때 키타에프 상호작용을 삼각격자에 구현할 수 있는 여러 조건을 만족한다는 것을 확인했다. 연구팀이 사용한 아이오딘화 코발트(CoI2)는 약 40년 전 합성이 가능하다는 것이 밝혀졌지만, 수분에 매우 취약해 이에 관한 연구는 많지 않아 이 물질을 사용하는 데 어려움이 있었다. 하지만 우리 연구팀은 자성 물질에 관한 연구를 지속해왔기 때문에 이 물질을 보다 안정적인 상태에서 분석하는 것이 가능했다. 연구팀은 이론적으로 밝혀낸 것을 실험적으로 증명하기 위해 일본 J-PARC 중성자 시설을 이용, 비탄성 중성자 산란실험과 스핀파를 측정했으며, 실험 결과는 미국 연구진과 공동연구를 통해 분석했다. 그 결과 세계 최초로 키타에프 상호작용이 존재하는 삼각격자에서 스핀 동역학을 확인했으며,이 자성 들뜸이 스핀파 붕괴와 같은 강한 양자 효과를 받는다는 것을 알아냈다. 이는 양자물질 연구 관점에서 새로운 방향을 제시함과 동시에 양자 컴퓨터에 활용할 수 있는 키타에프 모델을 2차원 자성 반데르발스 삼각격자 물질에서 구현함으로써 응집물질 물리 및 양자 정보 분야에서 높은 활용도가 기대되는 부분이다. 박제근 교수는 “2차원 물질에서 양자 얽힘이 있는 양자상태를 발견하는 것은 매우 중요하다”며 “우리 연구진이 개척해 세계적으로 중요한 연구 분야로 자리매김한 자성 반데르발스 물질 분야에서 또다시 선도적 연구 성과를 내서 이 분야 주도를 이어가게 됐다”고 말했다. 이번 연구성과는 국제학술지 네이처피직스(Nature Physics)에 29일(현지시간 28일) 게재됐다. 이인희 기자 leeih@etnews.com

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