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"아인슈타인, 당신이 옳았소"…韓 연구진, 새로운 '보스·아인슈타인 응축' 물질 규명 성공

등록 2023.02.07 01:00:00

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임현식 동국대 교수 공동연구팀, 스핀구름 응축 통한 新 양자물질 세계 최초 규명

실리콘 금속 극저온에서 스핀구름 응축 시 새 양자 물질 나타나

양자컴퓨터 소자 연구 중 학계에 미보고된 특이한 신호 우연히 발견

국제학술지 '네이처 피직스' 게재…"양자정보기술 분야에 활용 기대"

[서울=뉴시스] 스핀구름(콘도구름)과 스핀구름들이 응축하는 현상을 설명하는 그림. (사진=임현식 동국대 교수 제공) *재판매 및 DB 금지

[서울=뉴시스] 스핀구름(콘도구름)과 스핀구름들이 응축하는 현상을 설명하는 그림. (사진=임현식 동국대 교수 제공) *재판매 및 DB 금지



[서울=뉴시스]윤정민 기자 = 우리나라 연구진이 양자컴퓨터 핵심인 큐비트 소자에 응용할 가능성이 높은 새로운 양자 물질을 실리콘 금속에서 세계 최초로 발견했다.

7일 과학기술정보통신부에 따르면, 임현식 동국대 교수 공동연구팀은 극저온 실리콘 금속에서의 스핀구름들 응축 현상으로 새로운 양자 물질을 발견하고 규명했다. 이 연구는 과기정통부 기초연구사업 등의 지원으로 수행했으며 이날 국제학술지 '네이처 피직스'에 게재됐다.

'콘도구름'이라고도 부르는 '스핀구름'은 금속이나 반도체 안에 자성을 가리기 위해 형성된 자유 전자들이다. 과기정통부에 따르면, 스핀구름은 자기부상열차, 자기공명영상장치(MRI) 등에 활용이 가능한 고온 초전도 현상에서 중요한 역할을 맡는다. 초전도 현상은 특정 온도나 압력에서 저항이 0이 되는 현상을 말한다. 초전도 현상을 응용하면, 에너지 손실을 크게 줄일 수 있다.

하지만 응집물질물리학 분야에서 스핀구름 형성과 이들 간의 상호작용에 의한 새로운 양자 물질에 대한 연구에는 난제가 많았다. 스핀구름에 관한 연구는 극저온에서 측정해야 하는 제약 등 여러 실험적 어려움과 해석의 한계로 선행 연구가 극히 적기 때문이다.

그러나 임현식 교수 공동연구팀은 실리콘 금속을 이용해 극저온에서 스핀 구름들을 응축하면 새로운 양자 물질이 존재할 수 있다는 걸 세계 최초로 발견하고 규명하는 데 성공해냈다.

연구팀은 "실리콘 금속에서 관측된 것은 1990년대에 발견된 '보스·아인슈타인 응축' 상태 특성을 갖는 새로운 물질로, 분광학 및 전기 전도도 측정을 통해 밝혀냈다"고 전했다. 보스·아인슈타인 응축은 헬륨 등 보손입자들이 극저온(약 영하 273도)에서 냉각됐을 때 새로운 양자 물질이 되는 상태로 보스와 아인슈타인, 두 과학자가 예견한 현상이다.

연구팀은 이번 성과에 대해 금속 및 반도체에서 스핀-스핀 상호 작용을 이해하고 고온 초전도체를 포함한 다양한 강상관계 물질을 연구하는 데 기여할 것으로 기대한다고 말했다. 강상관계 물질은 구성 입자들이 강하게 상호작용해 일반적인 도체나 부도체에서 보이지 않는 특이한 현상을 나타내는 물질이다.

이어 이 물질이 실용화된다면 "센서로 사용 가능할 것으로 보이며 스핀-스핀 간의 양자 얽힘을 조절할 수 있다면 양자 기술 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대한다"고 전했다.

임현식 교수는 "순수 금속에서 스핀 구름들의 농도 변화에 대한 다양한 스핀 구름의 물성을 이해하는 것도 중요하다"며 후속 연구 계획도 있다고 밝혔다.

한편, 이번 양자 물질 연구는 연구팀이 다른 연구를 진행하던 중 우연히 발견한 현상에서 시작됐다. 양자컴퓨터 소자 관련해 연구하던 중 우연히 실리콘 금속에서 그동안 학계에 보고되지 않은 특이한 신호를 발견해낸 것이다.

임 교수는 "실리콘 위에 성장된 알루미늄 또는 다른 물질에 대해 관심이 있었었는데 측정하다 보니 엉뚱한 실험 결과가 나왔다"며 "이러한 실험 결과가 어떤 건지에 궁금해 계속 하다 보니 새로운 응축 현상을 발견하게 됐다"고 당시 연구 배경도 덧붙여 말했다.


◎공감언론 뉴시스 [email protected]

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