한국과학기술원(KAIST·총장 이광형) 연구진이 물질 내 양자현상의 비밀을 눈으로 확인했다.
KAIST는 양용수·이성빈·양희준·김용관 물리학과 교수팀이 미국 스탠퍼드대와 함께 양자물질 내 '전하밀도파(특정 양자물질이 극저온일 때 전자들이 도열해 나타나는 패턴)'가 형성되고 사라지는 과정을 시각화하는 데 세계 최초로 성공했다고 20일 밝혔다.
에너지 손실 없이 전류가 100% 흐르는 초전도 현상을 비롯한 '극저온 양자현상'을 양자컴퓨터 등에 활용하려면 물질 속 전자들을 정밀 제어할 수 있어야 한다. 전하밀도파 무늬 패턴이 어떻게 생기고 사라지는지 직접 관측하는 것은 이에 중요한 요소다.
KAIST는 양용수·이성빈·양희준·김용관 물리학과 교수팀이 미국 스탠퍼드대와 함께 양자물질 내 '전하밀도파(특정 양자물질이 극저온일 때 전자들이 도열해 나타나는 패턴)'가 형성되고 사라지는 과정을 시각화하는 데 세계 최초로 성공했다고 20일 밝혔다.
에너지 손실 없이 전류가 100% 흐르는 초전도 현상을 비롯한 '극저온 양자현상'을 양자컴퓨터 등에 활용하려면 물질 속 전자들을 정밀 제어할 수 있어야 한다. 전하밀도파 무늬 패턴이 어떻게 생기고 사라지는지 직접 관측하는 것은 이에 중요한 요소다.
전자 무늬가 안정적으로 유지되는 조건을 알면 초전도 전류가 더 잘 흐르는 재료를 설계할 수 있는 길도 열리기 때문이다. '고온 초전도체' 연구와도 연결된다.
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4차원 주사투과전자현미경(4D-STEM)으로 양자물질에 형성된 전하밀도파 공간 변화를 측정하는 실험을 시각화한 이미지. |
전자 무늬는 물질 전체에 균일하게 나타나지 않았다. 어떤 영역에서는 선명한 무늬가 보이지만, 바로 옆에서는 전혀 나타나지 않았다. 마치 호수가 한 번에 얼지 않고, 얼음과 물이 섞여 있는 모습과 같다.
연구팀은 이런 현상이 물질 내 미세한 변형과 깊이 연결돼 있다는 사실도 밝혀냈다. 작은 압력이나 뒤틀림이 전자 무늬 형성을 방해하는 것이다.
반대로 일부 영역에서는 온도가 올라가도 전자 무늬가 쉽게 사라지지 않고 남아 있는 현상도 관찰됐다. 작은 섬처럼 고립된 '양자 질서'가 고온에서도 유지되는 모습으로, 기존 이론으로는 설명하기 어려웠던 결과다.
연구팀은 또 전하밀도파 전자 무늬를 이루는 전자들이 서로 얼마나 멀리까지 영향을 주는지를 세계 최초로 정량적으로 밝혀냈다.
양용수 교수는 “양자물질의 숨겨진 질서를 밝혀냄으로써 미래 양자기술의 재료 개발을 가속할 중요한 돌파구”라고 이번 연구를 소개했다.
연구에는 홍석조·오재환·박제민 KAIST 연구원이 공동 제1저자로 참여했으며, 연구 성과는 피지컬 리뷰 레터스에 지난 6일 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
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