IBS, 전자 1개가 여러 원자에 존재하는 새로운 양자상태 발견

2차원 자성 물질에서 ‘양자 자성 다체 엑시톤’ 존재 확인

네이처誌 논문 게재…양자정보 전달 수단으로 확장 기대

덩치삼황화린니켈(NiPS3)의 결정 구조© 뉴스1

(대전=뉴스1) 심영석 기자 = 전자 1개가 여러 원자에 나뉘어 존재하는 새로운 양자상태가 국내 연구진에 의해 발견됐다.

기초과학연구원(이하 IBS) 강상관계 물질 연구단 박제근 前부연구단장(서울대 물리천문학부 교수)은 서강대(정현식), 연세대(김재훈), 고등과학원(손영우) 등의 연구진과 함께 자성을 띤 2차원 물질에서 독특한 신호를 발견했다.

특히, 이 신호가 전자 1개가 여러 원자에 나뉘어 존재하는 양자다체상태의 새로운 엑시톤임을 밝혀냈다.

연구진에 따르면 전자와 양공이 전기적 힘에 의해서 입자로 결합하는 엑시톤은 고체(절연체)의 기본적인 들뜸으로서 초전도체, 양자 결맞음 등 다양한 응용분야에서 고려되고 있다.

특히 양자정보기술 분야에서 매우 중요하게 여겨지고 있다.

이번에 발견한 새로운 엑시톤은 전자 1개가 여러 원자에 나누어 존재한다. 이 엑시톤은 이론적으로 예측된 적이 없는 새로운 양자현상이다.

연구진은 2차원 자성물질(삼황화린니켈, 이하 NiPS3)에서 결맞음성이 매우 강한 엑시톤 신호를 서로 다른 세 가지 실험으로 확인했다.

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

NiPS3에서 광방출, 광흡수 실험을 통해 얻은 엑시톤 신호.© 뉴스1

이번 실험에 사용된 NiPS3는 자성을 가지면서 얇은 2차원 층으로 분리할 수 있는 물질이다.

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 수행했다.

이어 고체 내 다른 원자들과의 상호작용을 완벽하게 고려한 양자역학적 이론인 다체 이론으로 이 엑시톤 데이터를 설명했다.

특히 연구진은 최신 양자역학 기반의 다체 이론을 적용하고 방대한 양의 계산을 수행했다.

이어 이를 공명 비탄성 X선 산란실험 결과와 비교해 이번에 발견한 엑시톤이 양자다체상태임을 규명했다.

NiPS3에 대한 X선 흡수 스펙트럼과 공명 비탄성 X선 산란 실험, 다체계산.© 뉴스1

이번 연구에서 발견된 엑시톤은 에너지 폭이 매우 좁고 결맞음성이 높은 신호를 보임으로써 초전도체, 초유체 등 향후 2차원 물질 양자정보기술 혁명을 앞당길 것으로 기대된다.

박제근 前부연구단장은 “2차원 물질에서는 특이 양자상태가 매우 드물다”며 “우리 연구진이 개척해서 중요한 연구 분야로 자리매김한 자성 반데르발스 물질 분야에서 또다시 선도적인 연구 성과를 내서 이 분야를 주도했다”고 의미를 부여했다.

한편, 이번 연구성과는 세계적 학술지 네이처(Nature, IF 42.778)에 7월21일 0시(한국시간)에 게재됐다.
km5030@news1.kr

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