국내 연구진, 스핀구름 응축 통해 새로운 양자물질 찾았다

임현식 동국대 교수 연구팀, 네이처 피직스에 연구 논문 발표

국내 연구진이 극저온 실리콘 금속에서 스핀구름들의 응축 현상을 통해 새로운 양자 물질을 세계 최초로 발견했다. 금속이나 반도체에서 스핀-스핀 상호 작용을 이해하고 고온 초전도체를 포함한 다양한 강상관계 물질 연구에 기여할 수 있을 것이라고 연구진은 밝혔다.

과학기술정보통신부는 임현식 동국대학교 물리반도체과학부 교수 공동연구팀이 새로운 ‘보스-아인슈타인 응축’ 물질을 발견하고 규명하는데 성공했다고 7일 밝혔다. 연구 성과를 담은 논문 ‘Observation of Kondo condensation in a degenerately doped silicon metal’이 이날 저명한 국제 학술지인 네이처 피직스(Nature Physics)에 게재됐다.

스핀구름 응축 현상을 보여주는 그림. /과기정통부

일본 학자인 콘도가 발견해서 콘도구름으로 부르기도 하는 스핀구름은 금속이나 반도체 내에 자성을 가리기 위해 형성된 자유 전자들을 말한다. 스핀구름은 고온 초전도 현상에서 전기 저항이 없어 자기부상열차나 자기공명영상장치(MRI) 등에 활용할 수 있다. 하지만 학계의 관심에도 불구하고 스핀구름에 대한 연구는 극저온에서 측정해야 하는 등 여러 제약 때문에 쉽지 않았다.

연구진은 2015년부터 양자컴퓨터 소자 관련 연구를 하던 중에 우연히 실리콘 금속에서 그동안 학계에 보고되지 않은 특이한 신호를 발견했다. 이를 소자나 측정기기의 오류가 아닌 새로운 양자역학적 물질이라고 판단하고 연구를 진행한 결과, ‘보스-아인슈타인 응축’ 상태의 특성을 지닌 새로운 물질을 찾아냈다.

실리콘 금속을 이용해 극저온인 섭씨 영하 272.15도에서 스핀구름들을 응축하면 새로운 양자 물질이 존재할 수 있다는 걸 세계 최초로 규명한 것이다. 보스-아인슈타인 응축은 ‘보손’이라는 기체 원자를 극저온으로 냉각할 때 발생하는 현상이다.

연구진은 이번 연구를 발전시켜 스핀구름의 배열이나 크기를 조절할 수 있게 되면 양자컴퓨터나 양자 센서 등의 분야에 적용해 활용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

연구를 진행한 임현식 교수는 “이번 연구를 통해 또 다른 양자 응축상태를 생성하고 제어 할 수 있다면 양자 소자 기술에 적용 가능할 것으로 기대된다”며 “후속 연구를 통해 순수 금속에서 스핀 구름들의 농도 변화에 대한 다양한 스핀 구름의 물성을 이해하는 것이 중요하다”고 의미를 밝혔다.

참고자료

Nature Physics, DOI: Observation of Kondo condensation in a degenerately doped silicon metal

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