삼각격자 구조의 자성물질에서 세계 최초로 양자상태가 발견됐다.

과학기술정보통신부는 서울대학교 박제근 교수 연구팀과 이화여자대학교 김성진 교수 연구팀이 삼각격자 구조 자성 반데르발스 물질에서 새로운 양자상태를 발견하는 데 세계 최초로 성공했다고 28일 밝혔다.

과기정통부 기초연구사업(리더연구) 지원으로 수행한 이번 연구 성과는 국제학술지 '네이처 피직스(Nature Physics)'에 29일(현지시간 28일 오후 4시)에 게재됐다.

키타에프 모델은 벌집 구조를 가지는 물질에서 나타나는 양자 현상으로, 오류가 없는 양자컴퓨터를 구현할 수 있는 양자상태를 가지기 때문에 세계적으로 많은 관심을 받고 있다. 그동안 국내·외 많은 연구자들은 벌집 구조 물질를 이용하여 키타에프 모델을 구현하는 데 그쳤다.

벌집 구조가 아닌 삼각격자 구조를 가진 물질이 양자상태를 가질 경우, 다양한 양자 현상이 나올 수 있다는 것은 이론적으로만 알려져 있을 뿐 실제 물질에서 구현된 적은 없었다.

연구팀은 자성 물질에 대해 연구하던 중 기존에 사용하고 있던 물질 니켈(원소기호: Ni)을 코발트(원소기호: Co)로 치환할 경우, 키타에프 모델이 구현되는 여러 가지 조건을 만족한다는 것을 알게 됐다.

과기정통부는 이에 대해 "이 연구는 반강자성 반데르발스 삼각격자 물질인 CoI2를 통해 세계 최초로 삼각격자에서 양자물질 상태를 일으키는 키타에프 상호작용이 존재함을 확인한 것"이라며 "비탄성 중성자 산란 실험으로 이 물질의 스핀파가 전반적인 운동량 공간에 걸친 강한 붕괴를 가지고 있음을 확인했다. 이는 비공선형 자기 구조와 키타에프 상호작용의 시너지에 의한 양자 효과로 볼 수 있다"고 설명했다.

이 같은 발견은 양자 물질 상태 및 키타에프 모델을 새로운 삼각격자에 구현하는 새로운 돌파구를 제시한 것으로 관심을 모은다.

연구팀이 사용한 아이오딘화 코발트(CoI2)는 약 40년 전에 합성이 가능하다는 것이 밝혀졌지만, 수분에 매우 취약해 이에 대한 연구는 많지 않아 이 물질을 사용하는 데 어려움이 있었다.

이 같은 어려움에도 불구하고 연구팀은 자성물질에 대한 연구를 지속해왔기 때문에 이 물질을 보다 안정적인 상태에서 분석하는 것을 알 수 있었다.

연구팀이 이론적으로 밝혀낸 것을 실험적으로 증명하기 위해, 일본 J-PARC 중성자 시설을 이용해 비탄성 중성자 산란실험과 스핀파 측정을 실시했고, 실험결과는 미국 연구진과 공동연구를 통해 분석했다.

이는 2차원 삼각격자에서 키타에프 모델을 실험적으로 구현한 세계 최초의 결과이며, 한·미·일 국제 공동연구를 통해 양자물질에서 세계적인 연구성과를 달성한 것이다.

연구팀의 연구성과는 양자 컴퓨터에 활용할 수 있는 키타에프 모델을 2차원 자성 반데르발스 삼각격자 물질에서 구현함으로써 응집물질물리 및 양자 정보 분야에서 향후 높은 활용도가 기대된다.

박제근 교수는 "2차원 물질에서 양자 얽힘이 있는 양자상태를 발견하는 것은 매우 중요하다"며 "우리 연구진이 개척해 세계적으로 중요한 연구 분야로 자리매김한 자성 반데르발스 물질 분야에서 양자 얽힘이 중요한 양자상태를 발견해 또다시 선도적인 연구 성과를 내서 이 분야를 주도했다"고 의미를 밝혔다.

과기정통부 관계자는 "이는 양자 물질 연구의 관점에서 새로운 방향을 제시함으로써 기하학적 쩔쩔맴과 비등방성 상호작용이 모두 존재하는 자성 상태에 대한 이해를 돕는 중요한 발견이었다"며 "대부분의 운동량 공간에서 마그논 붕괴가 일어나는 예시가 현재까지 존재하지 않았기에 마그논 상호작용에 의한 스핀 동역학의 이해에도 중요한 지표가 될 것"이라고 말했다.