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03.29 (금)

일본 연구자 예견 이론 응용해 새로운 양자물질 찾았다

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임현식 교수팀, 스핀구름 뭉쳐 형성된 물질 발견

응축 등 제어해 반도체, 양자컴퓨터 등에 활용 가능

"다양한 스핀 구름 물성 이해해 양자 소자 기술 활용"

[이데일리 강민구 기자] “지난 1930년대 일본 학자 콘도 준이 예견한 ‘콘도구름(스핀구름)’ 기본 이론을 응용해 새로운 양자 물질 상태를 찾았습니다. 후속연구가 이뤄지면 더 민감한 반도체 소자, 센서, 양자컴퓨터 부품을 개발할 수 있습니다.”

국내 연구팀이 스핀구름 응축 현상을 통해 새로운 양자 물질을 발견하고 규명했다. 임현식 동국대 교수팀이 주인공으로, 임 교수는 6일 과학기술정보통신부에서 진행한 연구 성과 브리핑에서 새로운 양자 물질의 특징을 이처럼 밝혔다.

스핀구름은 전기 저항이 없어 자기부상열차, 자기공명영상장치(MRI) 등에 활용할 수 있는 ‘고온 초전도 현상’에서 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다.

임 교수팀의 연구결과는 국제학술지 ‘네이처 피직스(Nature Physics)’에 7일자로 게재됐다.

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임현식 동국대 교수.(사진=과학기술정보통신부)

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금속이나 반도체 속에 있는 불순물이 자성을 가지면 주변 전자들이 모여 준입자인 스핀구름을 만든다. 그러나 중요한 역할을 수행함에도 극저온이라는 환경 제약이 있고 해석에 한계가 있어 스핀구름에 대한 연구는 그리 많지 않았다.

임 교수의 연구팀은 양자컴퓨터 소자관련 연구를 하던 중 우연히 실리콘 금속에서 그동안 학계에 보고되지 않은 특이한 신호를 발견했고, 이를 소자나 측정기기의 오류가 아닌 새로운 양자역학적 물질일 것이라고 생각하고 2015년부터 연구를 진행해왔다.

연구팀에 따르면 분광학(빛 스펙트럼 분석)과 전기 전도도(전기가 흐르는 성질) 측정한 결과, 새로 발견한 물질은 1990년대에 발견된 ‘보스·아인슈타인 응축’ 특성이 있는 것으로 나타났다. ‘보스·아인슈타인 응축’은 광자처럼 보존 입자들이 극저온에서 같은 에너지 상태를 공유해 새로운 물질 상태가 되는 현상을 뜻한다.

연구 결과는 금속이나 반도체에서 개별 스핀구름 사이 상호작용을 이해하고, 다양한 강상 관계 물질(도체나 부도체에서 보이지 않는 특이한 현상을 나타내는 물질)을 연구하는 데 도움이 될 수 있다.

임 교수는 “또 다른 양자 응축상태를 생성하고 제어할 수 있다면 양자 소자 기술에 적용할 수 있다”며 “이번에는 실리콘 금속에서 연구했지만 알루미늄, 금, 은 등 순수 금속에서 스핀구름의 농도 변화를 이해해 다양한 스핀구름 성질을 이해할 수 있다”고 설명했다.

이어 그는 “특히 이번에 연구한 응축상태는 극저온에서만 일어나는 현상으로 온도, 자기장, 압력 등 물리 지표가 급격하게 변화하기 때문에 더 민감한 소자를 만들 수 있을 것으로 기대한다”며 “스핀구름 자체 상호작용을 이해하면 양자 컴퓨터의 기본 단위인 큐비트로도 응용할 수 있다”고 덧붙였다.

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스핀 구름(왼쪽)과 응축(오른쪽).(자료=과학기술정보통신부)

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