원자보다 작은 `전자` 간 양자거리 세계 최초 측정

연세대-서울대 교수팀, 양자거리 측정 성공
검은 인 '흑린' 통해 전자 간 위상차 측정

국내 연구진은 전자의 양자거리 측정에 성공했다. 사진에서 두 개의 노란공은 전자를 나타내며, 흰색 눈금은 거리를 측정하는 '자'를 표현한다. 연세대 제공

김근수 연세대 교수

양범정 서울대 교수

국내 연구진이 머리카락 굵기의 100만분의 1에 해당하는 원자보다 작은 미시세계의 거리를 수치화해 측정할 수 있는 기술을 개발했다. 앞으로 양자거리 측정에 활용해 양자 컴퓨팅, 양자 센싱 등 양자기술 개발과 양자산업 전반에 폭넓은 영향을 줄 것으로 기대된다.

과학기술정보통신부는 김근수 연세대 물리학과 교수 연구팀이 양범정 서울대 물리천문학부 교수 연구팀과 함께 세계 최초로 고체물질 속 전자의 양자거리 측정에 성공했다고 6일 밝혔다.

이 연구결과는 국제 학술지 '사이언스(6일)'에 게재됐다.

양자거리는 전자 간 실제 거리가 아니라 미시세계 입자들 간의 양자역학적 유사성을 수치로 나타내는 물리량을 뜻한다. 전자는 공 같은 입자가 아니라 파동처럼 예측할 수 없는 형태로 존재하기 때문에 양자역학의 지배를 받는다. 만약 두 입자가 완전히 똑같은 양자 상태일 때 최솟값은 0(제로), 완전히 다르면 최댓값이 '1' 이 되는데, 양자컴퓨팅과 양자센싱 분야에서 양자 연산의 정확도 평가와 상태변화 추적을 위해 필수적인 정보로 여겨진다.

전 세계적으로 고체물질 속 전자의 양자거리를 정확히 측정하려는 연구가 활발히 진행되고 있지만, 현재까지 고체 속 전자의 양자거리를 간접적으로 측정한 사례만 보고됐을 뿐, 직접적으로 측정하는 방법은 미완성 과제로 남아 있었다.

양범정 교수가 이끄는 이론그룹과 김근수 교수의 실험그룹이 오랜 기간 긴밀한 협력 연구를 통해 세계 최초로 물질 속 전자의 양자거리를 완전하게 측정하는 데 성공했다. 연구팀은 조성과 구조가 비교적 단순한 물질 중 하나인 '흑린'에 주목했다. 흑린은 인(P) 원자로 구성된 층상구조의 물질로, 2차원 소재로 널리 쓰인다.

이론그룹인 양 교수 연구팀은 흑린의 단순한 조성과 대칭 구조로 인해 전자의 양자거리가 전자 간 위상차(동일한 두 파장의 최댓값 사이의 위치 간격)에 의해 결정된다는 사실을 밝혀냈다.

이어 실험그룹인 김 교수 연구팀은 방사광가속기와 각분해광전자분광을 이용해 흑린 속 전자들의 위상차를 정밀하게 측정한 뒤 측정 데이터로부타 양자 거리를 직접적이고 완전하게 추출하는 데 성공했다.

김근수·양범정 교수는 "건축물을 안전하게 세우기 위해 정확한 거리 측정이 필수인 것처럼 오류 없이 정확하게 동작하는 양자기술 개발에도 정확한 양자거리 측정이 반드시 필요하다"며 "물질 속 양자거리를 측정하는 기술은 인류가 양자물질을 깊이 이해하고 활용하는 데 폭넓은 영향을 미칠 것으로 기대한다"고 말했다.이준기기자 bongchu@dt.co.kr