韓과학자, 삼각격자 구조서 ‘양자상태’ 최초 발견

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동료평가 거친 논문, 국제학술지 ‘네이처 물리학’ 게재

한국표준과학연구원이 개발한 초전도 기반 50큐비트급 양자컴퓨터. / 사진=뉴시스

한국 과학자들이 삼각격자 구조의 ‘자성(자석기 갖는 물리적 성질) 물질’에서 양자 상태를 최초 발견하는 데 성공했다. 이번 연구 성과는 향후 양자컴퓨터에 활용할 수 있어 관련 기술 상용화에 기여할 전망이다.

29일 과학기술정보통신부에 따르면 박제근 서울대 교수 연구팀과 김성진 이화여대 교수 연구팀은 이날 국제학술지 네이처 물리학(Nature Physics)에 이같은 논문을 게재했다.

전 세계 과학자들은 ‘키타에프 모델’을 통해 양자 상태를 구현하기 위해 각종 연구를 수행 중이다. 키타에프 모델은 벌집 구조를 가지는 물질에서 나타나는 양자 현상이다. 오류가 없는 양자컴퓨터를 구현할 수 있는 양자 상태를 가지기 때문에 세계적으로 큰 관심을 받고 있다.

하지만 국내외 연구자들은 그간 벌집 구조 물질을 이용해 키타에프 모델을 구현하는 데 그쳤다. 벌집 구조가 아닌 삼각격자 구조를 가진 물질이 양자 상태를 가질 경우 다양한 양자 현상이 나올 수 있다는 가설은 있었지만, 이론적 한계 때문에 실제 물질에서 이를 구현한 적은 없었다.

이에 한국 연구팀은 자성 물질 연구에 집중했다. 그러던 중 기존에 사용하던 물질인 니켈(Ni)을 코발트(Co)로 치환할 경우, 키타에프 모델이 구현된다는 사실을 알게 됐다.

특히 연구팀은 후속 연구를 통해 반데르발스 삼각격자 물질인 아이오딘화 코발트(CoI2)를 통해 삼각격자에서 양자 상태를 일으키는 키타에프 상호작용이 존재하는 사실을 확인했다. 반데르발스 물질은 층 사이가 약한 반데르발스 결합으로 이뤄진 물질로, 2차원 물질을 손쉽게 만들 수 있어 주목받고 있다.

박제근 교수는 “2차원 물질에서 양자 얽힘이 있는 양자 상태를 발견하는 것은 매우 중요하다”며 “우리 연구진이 개척한 자성 반데르발스 물질 분야에서 양자 상태를 발견해 전 세계적으로 관련 연구를 이끌어 나갈 수 있게 됐다”고 밝혔다.

연구팀은 이론을 실험으로 증명하기 위해 일본 중성자 시설을 이용해 각종 실험을 진행했다고 밝혔다. 실험 결과는 미국 연구진과 공동 연구를 통해 분석했다.

삼각격자에 키타에프 모델을 구현한 물질. 이 물질은 인접한 코발트 이온끼리 인접한 결합을 이루며 각 결합의 종류(빨강·파랑·초록선)에 따라 수직 방향으로 스핀을 서게 한다. 서로 수직한 방향으로 스핀을 서게 하려는 상호작용이 물질에 복잡한 양자 상태를 만들었다. / 사진=과학기술정보통신부

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