'머리카락 굵기 100만분의 1' 미시세계... '양자거리' 재다 [세상을 깨우는 발견]

과기정통부, 연세·서울대 공동연구... 양자컴퓨팅·양자센싱 등 양자기술 적용 기대

[유창재 기자]

▲ 양자거리 측정 개념도 두 개의 노란 공은 전자를 나타내며, 그 아래 흰색 눈금은 거리를 측정한다는 의미로 ‘자’를 표현한 것이다. 전자 간의 유사성을 의미하는 양자 거리는 실제 거리와 약간 다른 개념이지만 ‘양자거리 측정’을 직관적으로 표현하기 위한 그림이다. // 그림설명 및 그림제공 : 연세대학교 김근수 교수 ⓒ 과학기술정보통신부 제공

안전한 건축물을 짓기 위해서 반드시 정확한 측량 기술이 필요하다. 마찬가지로 오류없이 정확하게 동작하는 양자컴퓨터나 양자 센싱 기술의 발전을 위해서는 반드시 정확한 '양자거리(quantum distance)' 측정 기술이 필요하다.

이에 국내 연구진이 머리카락 굵기의 100만분의 1, 원자보다 작은 미시세계의 거리를 수치화해 측정할 수 있는 '양자거리' 측정 방법을 개발했다. 이 기술은 다양한 양자기술 전반에 기초 도구로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

과학기술정보통신부(장관 유상임, 아래 과기정통부)는 6일 "김근수 연세대학교 물리학과 교수 연구팀과 양범정 서울대학교 물리천문학부 교수 연구팀이 세계 최초로 고체 물질 속 전자의 양자거리를 직접적이고 완전하게 측정하는 데 성공했다"고 밝혔다.

▲ 미시세계와 양자역학 ⓒ 김근수 연세대 교수

과기정통부에 따르면, 이론 물리학자들은 '양자거리(quantum distance)'란 미시세계 입자들(물질 속 전자) 간의 양자역학적 유사성, 즉 '얼마나 서로 닮았는가?'를 수치로 나타내는 물리량이라고 한다.

미시세계는 머리카락 굵기의 100만분의 1 수준으로 원자만큼 작은 세계로, 물리학자은 미시세계에서 입자의 운동을 '양자역학'으로 설명한다는 것. 우리 주변의 물질들 속에도 양자역학으로 운동을 설명해야 하는 작은 입자들이 존재하는데, 대표적으로 '전자'가 있다.

▲ 고체 물질 속 전자의 양자 거리 ⓒ 김근수 연세대 교수

두 입자가 완전히 똑같은 양자 상태일 때 최솟값 0, 완전히 다르면 최댓값 1이 되는데, 양자 컴퓨팅과 양자 센싱 분야에서 양자 연산의 정확도 평가와 상태변화 추적을 위해 필수적인 정보로 여겨진다는 설명이다.

과기정통부는 "최근 고체 물질 속 전자의 양자거리는 물질의 기본 성질을 표현하는 것을 넘어서, 초전도와 같은 난해한 물리 현상들과 밀접한 연관이 있다는 것이 밝혀지고 있다"면서 "이에 따라 전 세계적으로 이를 정확히 측정하려는 연구가 활발히 진행되고 있지만, 현재까지는 고체 속 전자의 양자거리를 간접적으로 측정한 사례만 보고되었을 뿐 직접적으로 측정하는 방법은 아직까지 밝혀지지 않았다"고 배경 설명을 했다.

그러면서 "기존 한계를 극복하고, 고체 속 전자의 양자 거리를 직접적이고 완전하게 측정한 이번 연구 성과는 양범정 교수의 이론그룹과 김근수 교수의 실험그룹이 각각 5~10년 동안 꾸준히 발전시켜 온 전문성을 토대로 이론그룹과 실험그룹의 긴밀한 협력 연구 끝에 창출해 낸 것이어서 더욱 의미가 크다"고 덧붙였다.

"기존 한계 극복... 고체 속 전자의 양자 거리 직접적· 완전히 측정"

▲ 측정에 사용한 물질: 흑린 (검은 인) ⓒ 김근수 연세대 교수

과기정통부에 따르면, 양범정 교수 연구팀은 미국 MIT와 협력하여 양자거리를 근사적으로 측정한 결과를 <네이처 피직스(Nature Physics)>지에 게재하는 등 이론 연구에 대한 뛰어난 전문성을 가지고 있으며, 김근수 교수 연구팀은 각분해광전자분광(ARPES, 물질에 빛을 조사할 때 튀어나오는 광전자의 에너지와 운동량을 분석하는 실험 기법)과 흑린에 대한 실험 연구 결과를 2024년도에 <네이처>(Nature)지에 게재했다고 한다.

이에 공동 연구팀은 구조가 비교적 단순한 물질인 '흑린(Black Phosphorus, 검은 인)'에 주목하고, 연구를 고도화 시켜나갔다.

▲ 각분해광전자분광(ARPES) ⓒ 김근수 연세대 교수

먼저, 이론그룹인 양범정 교수 연구팀은 흑린의 단순한 조성과 대칭 구조로 인해 전자의 양자거리가 '위상차(phase difference)'에 의해 결정된다는 사실을 밝혀냈다. '위장차'란 파장이 동일한 두 파동의 최댓값 사이의 위치 간격으로, 미시 세계의 입자는 파동적 성질을 갖기 때문에 전자 파동의 경우에도 위상차가 존재한다고 한다.

이후 실험그룹인 김근수 교수 연구팀은 '각분해광전자분광' 실험에서 편광된 빛을 이용하면 전자 간 위상차에 따라 검출 신호의 세기가 달라진다는 점에 착안하여, 흑린 속 전자의 위상차를 정밀하게 측정하고, 이를 통해 양자거리를 정밀하게 추출하는 데 성공해냈다.

▲ 양자거리 측정 실험 데이터 흑린 속 전자들의 양자거리 분포를 에너지와 운동량에 따라 측정한 실험 데이터로, 흰색은 양자거리가 0이고 검은색은 양자거리가 1이다. 회색 선들은 양자거리가 같은 지점을 0.1 간격으로 이어서 나타낸 것이다. // 그림설명 및 그림제공 : 연세대학교 김근수 교수 ⓒ 과학기술정보통신부 제공

김근수 교수는 해당 연구결과가 발표되기 앞서 5일 오전 정부세종정사 과기정통부 브리핑룸에서 간략히 기자설명회를 진행했다.

김 교수는 이 자리에서 이번 연구에 대해 "간접적인 측정을 극복하고 보다 직접적으로 모든 핵심 요소를 완전하게 측정하는 것"이라며 "이번 연구의 키워드라 할 수 있는 양자거리를, 흑린이라는 물질의 전자 상태에 대한 측정을 바탕으로 알아내는 그런 연구를 수행한 것"이라고 간략히 요약했다.

이어 그는 "양자거리 측정을 위해 빛을 만드는 장치인 '방사광가속기'를 사용해 아주 강한 빛을 만들고, '편광 방향'이란 걸 자유자재로 제어할 수도 있었다"면서 "실험 테크닉(기술)으로 '각분해광전자분광'을 이용, 편광 방향에 따른 신호 세기로서 관측할 수 있기에 이런 방법들로 '양자거리'를 처음 잴 수 있었다"고 설명했다.

그러면서 "이번 연구 결과가 시사하는 중요한 점 중 하나가, 고체전자의 위상만 중요한 것이 아니라 그것에 대응되는 개념인 기하, 영어로 Geometry라는 것도 상당히 중요하다는 것"이라며 "고체물리학이 상당히 미개척으로 남아 있는 분야이기에, 앞으로 많이 개척되지 않은 분야에서 일종의 '퍼스트 무버' 연구에 도전해 나가는 것이 우리나라 물리학 연구에 굉장히 필요한 부분이 아닌가 해서 그런 방향으로 계속 노력해 보려고 한다"고 향후 연구 뱡향을 제시했다.

▲ (사진 윗줄 왼쪽부터) 김근수 연세대학교 물리학과 교수, 양범정 서울대학교 물리천문학부 교수(이상 교신저자), (아랫줄 왼쪽부터) 김선제 서울대 물리천문학부 연구원, 정윤아 연세대 물리학과/미국 로렌스버클리국립연구소 박사후연구원, 유팅 퀴안(Yuting Qian) 서울대 물리천문학부 박사후연구원(이상 제1저자) ⓒ 과학기술정보통신부 제공

송완호 과기정통부 기초연구진흥과장도 "그동안 근사적으로, 또 간접적으로만 측정이 가능했던 양자거리를 세계 최초로 근사 없이 완전하게 측정했다는 점에서 학문적 파급력이 매우 클 것으로 예상된다"면서 "특히 이론 연구그룹과 실험 연구그룹이 각각 보유해 온 오랜 기간 쌓아온 전문성을 바탕으로, 유기적인 협업을 통해 이루어낸 성과라 더욱 의미가 크다"고 평가했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 기초연구사업(리더연구, 선도연구센터)의 지원으로 수행됐으며, 연구 성과는 세계 최고 권위의 국제학술지 <사이언스(Science)>에 6월 6일 오전 3시(현지시각 6월 5일 오후 2시, EDT) 게재됐다.