2차원 삼각격자 물질서 '양자상태' 구현 가능…양자컴퓨터 등 활용 기대

서울대·이화여대 공동 연구

삼각격자 구조 물질에서 양자 상태가 구현된다는 점이 입증됐다. 게티이미지뱅크 제공.

국내 연구진이 세계 최초로 기존의 벌집 구조가 아닌 삼각격자 구조 물질에서 새로운 양자상태를 발견하는 데 성공했다.

과학기술정보통신부(과기정통부)는 박제근 서울대 물리학과 교수와 김성진 이화여대 화학생명분자과학부 교수가 이끈 연구팀이 삼각격자 구조 자성 반데르발스 물질에서 새로운 양자상태를 발견해 학술지 '네이처 피직스'에 29일 발표했다고 밝혔다. 

연구팀은 벌집 구조를 가진 물질에서 나타나는 양자 현상인 '키타예프 모델'이 삼각격자 구조를 가진 물질에서도 나타날 수 있음을 밝혔다. 이론적으로는 알려진 사실이지만, 실제로 구현된 적은 지금까지 없었다. 

키타예프 모델은 오류가 없는 양자컴퓨터를 구현할 수 있는 양자상태를 가진다. 수많은 국내외 연구진이 키타예프 모델을 구현하는 데 관심을 갖고 연구를 지속하는 이유다.

연구팀은 자성 물질에 대해 연구하던 중, 기존 연구에 사용하던 물질인 니켈(Ni)을 코발트(Co)로 치환할 경우 키타예프 모델이 구현될 수 있는 여러 가지 조건을 만족한다는 사실을 알아냈다.

연구팀이 사용한 아이오딘화 코발트(CoI2)는 반데르발스 물질이다. 반데르발스 물질이란 두 비극성 분자가 서로 가까워지다가 달라붙는 반데르발스 결합으로 이뤄져 있는 물질을 말한다. 약한 반데스발스 결합으로 이뤄지 물질은 2차원 상태의 얇은 층으로 분리할 수 있다. 

연구팀은 일본 J-PARC 중성자 시설에서 CoI2의 비탄성 중성자 산란 실험을 진행했다. 중성자를 CoI2에 입사한 후 CoI2와 중성자 간의 비탄성 충돌을 관측해 물질의 격자와 스핀파(spin wave) 등을 측정한 것이다. 스핀파의 운동량-에너지 관계를 측정하면 자성체의 상호작용에 대해 밝혀낼 수 있다. 이를 통해 연구팀은 2차원 삼각격자에서 키타예프 모델이 구현됨을 알아냈다. 

양자 컴퓨터에 활용할 수 있는 키타예프 모델을 2차원 자성 반데르발스 삼각격자 물질에서도 구현할 수 있음을 밝혀낸 건 이번이 처음이다. 박 교수는 "2차원 물질에서 양자 얽힘이 있는 양자 상태를 발견한 것은 매우 중요한 연구 성과"라고 의의를 밝혔다. 이번 연구는 과기정통부 기초연구사업 지원으로 수행됐다. 

[박건희 기자 wissen@donga.com]