국내 연구진 ‘물질의 제5상태’ 새 양자물질 찾았다

임현식 교수팀 ‘네이처 피직스’ 발표
“극저온서 스핀구름 응축때 나타나”

국내 연구진이 세계 최초로 스핀구름 응축 현상을 통해 새로운 양자 물질을 발견했다. 임현식 동국대 교수팀은 극저온 실리콘 금속에서 이 같은 현상을 확인해 국제학술지 ‘네이처 피직스’ 2월 7일 자에 발표했다.

스핀구름은 금속이나 반도체 안에서 불순물의 자성(자기·磁氣)을 양자역학적으로 가리는 존재를 말한다. 반도체에서 스핀구름을 제어할 수 있다면, 반도체로 양자컴퓨터를 구현할 수 있어 학계의 많은 관심을 받고 있다. 고성능 양자센서, 양자통신 기술 등에도 활용 가능하다. 하지만 아직 스핀구름의 형성과 상호작용에 대한 많은 부분이 밝혀지지 않은 상태다.

연구진은 양자컴퓨터 소자와 관련된 연구를 하던 중 우연히 실리콘 금속에서 그간 보고되지 않았던 특이한 신호를 발견했다. 새로운 양자 물질이라고 생각한 연구진은 2015년부터 7년간 연구를 지속했다. 결국 영하 272도 이하의 극저온 상태에서 스핀구름을 응축하면 새로운 양자 물질이 존재할 수 있다는 것을 세계 최초로 발견했다.

이번에 발견된 양자 물질은 고체, 액체, 기체, 플라스마에 이어 ‘제5상태’라고 불리는 ‘보스-아인슈타인 응축’ 상태 특성을 갖는다. 보스-아인슈타인 응축은 극저온에서 같은 상태의 입자가 여럿 존재할 경우 마치 하나의 입자처럼 움직이는 등 독특한 양자 현상이다.

임 교수는 “응축된 스핀구름은 온도, 자기장 등 주변 환경에 민감하게 반응하기 때문에 양자 센서로 사용 가능할 것으로 보인다”고 했다.

최지원 기자 jwchoi@donga.com