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2차원 물질서 새로운 양자현상 발견…"전자 1개가 여러 원자에 존재"

39 2020.07.21 10:09

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IBS 박제근 전 부연구단장 연구팀

양자정보기술 혁명 앞당기는 데 기여


국내 연구진이 그래핀과 같은 자성을 띤 2차원 물질에서 새로운 양자현상을 발견했다.

기초과학연구원(IBS) 강상관계 물질 연구단 박제근 전 부연구단장(서울대 물리천문학부 교수)은 정현식 서강대 교수, 김재훈 연세대 교수, 손영우 고등과학원 교수 등과 함께 2차원 자성물질에서 독특한 신호를 발견하고, 이 신호가 전자 1개가 여러 원자에 나뉘어 존재하는 양자다체상태의 새로운 엑시톤이라는 사실을 밝혀냈다고 21일 밝혔다.

이 연구결과는 세계적 학술지 '네이처(21일자)'에 실렸다.

엑시톤은 자유전자와 양공(전자가 빠져 나간 빈자리)으로 이뤄진 입자로, 에너지 상태에 따라 광자를 방출하는 양자상태이기 때문에 양자광원이 필요한 양자정보통신에 중요한 열쇠로 거론된다. 연구팀이 새로 발견한 엑시톤은 전자가 여러 원자 사이에 얽힌 상태로 존재하며, 이론적으로 예측된 적이 없는 새로운 양자현상이라고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 2차원 자성물질인 삼황화린니켈에 흡수된 뒤 다시 방출되는 빛을 측정하는 '광방출실험'을 통해 2차원 물질에서 결맞음이 강한 신호를 발견했다. 이후 결맞음성이 매우 강한 엑시톤 신호를 서로 다른 세 가지 실험으로 확인하고, 이 신호 데이터를 계산해 이 엑시톤이 전자가 특정 원자에 속하는 것이 아니라, 존재 확률이 산재해 있어 여러 원자에 동시에 속박돼 있는 독특한 '양자다체상태'라는 것을 규명했다.

2차원 물질은 그래핀처럼 층을 쌓아 조립할 수 있어 다양한 분야에 활용할 수 있고, 엑시톤에서 발생하는 빛은 양자상태로 정보를 전달하는 양자정보통신으로 확장할 수 있다. 이 때문에 엑시톤이 어떤 양자상태를 갖는지를 이해하는 게 매우 중요하다.

연구팀은 새로 발견된 엑시톤이 에너지 폭이 매우 좁은 결맞음성이 높은 신호로, 초전도체나 초유체 등 특이한 물리 현상도 결맞음성과 관련이 있다고 설명했다.

박제근 부연구단장은 "2차원 물질에서는 특이 양자상태가 매우 드물다"며 "새로운 2차원 물질 양자현상 연구에 기여해 양자정보기술 혁명을 앞당기는 데 기여할 것으로 기대한다"고 말했다.이준기기자 bongchu@dt.co.kr박제근 IBS 강상관계 물질 연구단 전 부연구단장은 2차원 물질에서 독특한 신호를 발견하고, 이 신호가 양자다체상태의 새로운 엑시톤이라는 사실을 밝혀냈다. IBS 제공

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[머니투데이 대전=허재구 기자] [2차원 자성 물질에서 '양자 자성 다체 엑시톤' 존재 확인… 양자정보 전달 수단으로 확장 기대 ]

국내 연구진이 전자 1개가 여러 원자에 존재하는 새로운 양자상태를 발견했다.

이는 이제껏 이론적으로 예측된 적이 없는 현상이어서 학계의 주목을 끌고 있다.

기초과학연구원(IBS)은 박제근 강상관계 물질 연구단 전 부연구단장(서울대 물리천문학부 교수)과 서강대, 연세대, 고등과학원 등이 공동연구를 통해 자성을 띤 2차원 물질에서 독특한 신호를 발견하고 이 신호가 전자 1개가 여러 원자에 나뉘어 존재하는 양자다체상태의 새로운 '엑시톤'인 것을 밝혀냈다고 20일 발표했다.

'엑시톤'은 자유전자(전자가 빠져 나간 빈자리)와 양공(양자상태에 따라 빛을 내보내는 광원)으로 이루어진 입자다. 광자를 방출하는 양자상태이기 때문에 양자광원이 필요한 양자정보통신에 중요한 열쇠로 거론된다.

NiPS3에서 광방출. 광흡수 실험을 통해 얻은 엑시톤 신호./자료제공=IBS

연구진은 2차원 자성물질(삼황화린니켈, 이하 NiPS3)에서 결맞음성(파장 여러 개의 주파수와 파형이 일치함을 이르는 말)이 매우 강한 엑시톤 신호를 서로 다른 세 가지 실험으로 확인하고 이 신호 데이터를 계산해 이번에 발견한 엑시톤이 양자다체상태임을 규명했다.

면 형태의 2차원 물질은 1차원이나 3차원에서 나타나지 않는 전자 상호작용으로 독특한 물리적 특성을 갖는다.

이번 실험에 사용된 NiPS3는 자성을 가지면서 얇은 2차원 층으로 분리되는 반데르발스 물질 중 하나다.

연구진은 물질에 흡수된 뒤 다시 방출되는 빛을 측정하는 광방출 실험을 통해 2차원 NiPS3에서 결맞음이 강한 빛 신호를 발견했다.

이후 빛의 운동량과 에너지 분산관계를 측정하는 공명 비탄성 X선 산란실험을 수행하고 고체 내 다른 원자들과의 상호작용을 완벽하게 고려한 양자역학적 이론인 '다체 이론'으로 이 엑시톤 데이터를 설명했다.

실제 연구진은 최신 양자역학 기반의 다체 이론을 적용, 방대한 양의 계산을 수행했으며 이를 공명 비탄성 X선 산란실험 결과와 비교해 이번에 발견한 엑시톤이 양자다체상태임을 알 수 있었다.

'양자 다체 자성 엑시톤'은 근본적으로 새로운 양자상태로 2차원 물질 양자현상 연구에 기여해 양자정보기술 혁명을 앞당길 것으로 기대된다.

박제근 전 부연구단장은 "2차원 물질에서는 특이 양자상태가 매우 드물다" 며 "우리 연구진이 개척해 중요한 연구 분야로 자리매김한 자성 반데르발스 물질 분야에서 또다시 선도적인 연구 성과를 내 이 분야를 주도했다"라고 의미를 밝혔다.

한편, 이번 연구성과는 세계적 학술지 네이처(Nature) 7월 21일자에 게재됐다.

대전=허재구 기자 hery124@hanmail.net

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