[세종=뉴스핌] 이태성 기자 = 국내 연구팀이 스핀구름의 응축을 통한 새로운 양자물질을 세계 최초로 발견했다.

이번 발견은 미세한 온도나 압력, 자기장 등의 변화를 감지하는 센서분야에서 활용 가능할 것으로 알려졌다. 특히 양자컴퓨터의 기본이 되는 큐비트(최소 정보 단위)로도 응용이 가능할 것이라는 평가를 받는다.

과학기술정보통신부는 임현식 동국대학교 교수 공동연구팀이 극저온 실리콘 금속에서 스핀구름들의 응축 현상을 통해 새로운 양자 물질을 발견, 규명했다고 7일 밝혔다.

스핀구름(콘도구름)이란 금속이나 반도체 내에 자성을 가리기 위해 형성된 자유 전자들을 뜻한다.

제1저자이자 교신저자인 임현식 동국대 물리반도체과학과 교수 [사진=동국대학교 홈페이지] 2023.02.06 victory@newspim.com

과기부의 기초연구사업 중견연구 및 기초연구실 지원으로 수행한 이번 연구 성과는 국제학술지 '네이처 피직스(Nature Physics)'에 2월 6일(현지시간) 게재됐다.

전기 저항이 없어 자기부상열차나 자기공명영상장치(MRI) 등에 활용이 가능한 고온 초전도 현상에서, 스핀구름의 역할이 매우 중요하다고 알려져 있다.

그러나 응집물질물리학 분야에서 스핀구름 형성과 이들 간의 상호작용에 의한 새로운 양자 물질에 대한 연구는 아직까지 풀리지 않은 난제가 많다.

연구팀은 양자컴퓨터 소자관련 연구를 하던 중 우연히 실리콘 금속에서 그동안 학계에 보고되지 않은 특이한 신호를 발견하고 연구를 시작했다고 밝혔다.

금속에 형성된 스핀 구름들의 밀도가 적은 경우 스핀 구름들은 기존에 잘 알려진 콘도 효과(자성 불순물과 – 주변 전자의 스핀-스핀 산란 때문에 전기 저항이 임계 온도에서 커지는 현상)를 나타내며, 스핀 구름들이 충분히 많아 서로 중첩된 응축 현상을 보이는 경우 쿠퍼-쌍이 없는 초전도체와 유사한 새로운 양자 물질이 형성될 수 있다. [자료=과학기술정보통신부] 2023.02.06 victory@newspim.com

스핀구름에 관한 연구는 극저온에서 측정해야하는 제약 등 여러 실험적 어려움과 해석의 한계로 인해 선행 연구가 극히 적었으나, 연구팀은 포기하지 않고 2015년부터 수년간 연구를 지속해 왔다.

그 결과 실리콘 금속에서 관측된 것은 물질의 상(相) 중 고체, 액체, 기체, 플라스마(Plasma)에 이어 1990년대에 발견된 '보스·아인슈타인 응축' 상태 특성을 갖는 새로운 물질임을 밝혀냈다. 분광학 및 전기 전도도 측정을 활용했다.

실리콘 금속을 이용해 극저온(1K, -272.15℃)에서 스핀 구름들을 응축하면 새로운 양자 물질이 존재할 수 있음을 세계 최초로 발견하고 규명하는 데 성공한 것이다.

측정된 상태 밀도 함수(단위 부피당, 단위 에너지당 전자가 존재할 수 있는 양자 상태)의 모양은 초전도체에서 관측되는 모양과 유사하며 이는 스핀 구름들의 응축을 통해 초전도체와 유사한 양자 물질이 형성됨을 의미한다. [자료=과학기술정보통신부] 2023.02.06 victory@newspim.com

이번 연구 성과는 금속 및 반도체에서 '스핀-스핀 상호 작용'을 이해하고 고온 초전도체를 포함한 다양한 강상관계 물질을 연구하는 데 기여할 것으로 기대된다.

강상관계 물질이란 구성 입자들이 강하게 상호작용해 일반적인 도체나 부도체에서 보이지 않는 특이한 현상을 나타내는 물질을 뜻한다.

임현식 교수는 "이번 연구를 통해 또 다른 양자 응축상태를 생성하고 제어 할 수 있다면 양자 소자 기술에 적용 가능할 것으로 기대된다"며 "후속 연구를 통해 순수 금속에서 스핀 구름들의 농도 변화에 대한 다양한 스핀 구름의 물성을 이해하는 것이 중요하다"고 의미를 밝혔다.

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