아인슈타인의 뒤를 이어…국내 연구진, 새 양자 물질 찾았다

‘보스-아인슈타인 응축’ 상태 특성 갖는 새 물질
<네이처 피직스>에 국제공동논문 실려
“양자컴 정보단위로 응용 가능할 수도”

임현식 동국대 교수가 2019년 영국 랭카스터대 나노소자연구실에서 실리콘 물성 극저온 측정을 하는 모습. 본인 제공

임현식 동국대 교수(물리반도체과학과)가 중심이 된 국제 공동연구팀이 극저온 실리콘 금속에서 ‘스핀구름’이 응축돼 만들어지는 ‘보스-아인슈타인 응축’ 양자 물질을 처음 발견했다. 이런 특성의 양자 물질은 과거에도 발견된 적이 있었으나 스핀구름 응축을 통해 만들어진 것이 학계에 보고된 것은 이번이 처음이라는 것이 연구팀 설명이다.

알베르트 아인슈타인과 인도의 물리학자 사첸드라 보스가 제안한 ‘보스-아인슈타인 응축’은 원자들의 간격이 가까워지고 움직임이 극도로 제한돼 단일 물질처럼 움직이는 현상을 말한다. 스핀구름은 금속이나 반도체 내에서 불순물의 자성을 가리기 위해 형성되는 자유 전자들로, 이 현상을 처음 제시한 일본인 학자 이름을 따 ‘콘도구름’으로도 불린다. 스핀구름은 국내 연구진도 참여한 국제 공동연구를 통해 2020년 그 존재가 처음으로 규명됐다.

동국대, 한양대, 성균관대, 영국 랭카스터대, 일본 이화학연구소 연구진이 함께 한 이번 연구는 2015년 임현식 교수가 양자컴퓨터 소자 관련 연구를 하던 중 우연히 실리콘 금속에서 특이한 신호를 발견한 것이 계기가 됐다. 학계에 보고되지 않은 그 신호가 소자나 측정기기의 오류가 아닌 새로운 양자역학적 물질일 것이라고 생각하고 연구를 시작한 것이다.

그 결과 관측된 것이 물질의 상태 가운데 고체, 액체, 기체, 플라스마에 이어 1990년대에 발견된 ‘보스-아인슈타인 응축’ 상태 특성을 갖는 새로운 물질임을 분광학과 전기 전도도 측정을 통해 밝혀내는 데 성공했다. 극저온 절대온도 1도(1K·섭씨 영하 272.15도) 이하에서 실리콘 금속의 스핀구름들을 응축하면 새로운 양자 물질이 존재할 수 있음을 최초로 밝혀낸 것이다.

연구를 이끈 임 교수는 “앞으로 스핀구름들을 상호 작용하게 만들 수 있으면 그 자체가 양자 컴퓨터의 기본이 되는 큐비트로도 응용할 수 있을 것 같다”고 말했다. 큐비트는 양자 정보시스템에서 사용되는 최소 정보 단위인 퀀텀 비트의 줄임말이다.

이 연구를 지원한 과학기술정보통신부는 “이번 연구 성과가 자기부상열차, 자기공명영상장치 등에 활용 가능한 초전도 현상에서 매우 중요한 스핀구름의 형성과 이들 간의 상호작용에 의한 새로운 양자 물질 연구에서 풀리지 않은 난제 해결에 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

이번 연구 결과는 7일 학술지 <네이처> 자매지인 <네이처 피직스>에 실렸다.

김정수 선임기자 [e-mail]