극저온 실리콘 금속서 새 양자 물질 발견

동국대 임현식 교수 공동연구팀

“양자컴퓨터·초정밀 센서 활용”

임현식(사진) 동국대 물리반도체과학부 교수 공동연구팀이 양자컴퓨터나 초정밀 센서에 활용할 수 있는 새로운 양자 물질을 발견했다고 6일 밝혔다. 이번 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 피직스’에 게재됐다.

임 교수 연구팀은 일반 실리콘 반도체 소자에 전류를 흐르게 하고, 온도를 극저온으로 점점 낮추면서 상태 변화를 측정했다. 형성된 스핀 구름(콘도 구름)들이 다닥다닥 붙으며 ‘응축’(기체가 모여 액체가 되는 것 같은 물질 성질의 변화)돼 만들어진 새로운 성질의 양자 물질을 세계 최초로 확인했다. 스핀 구름은 자성 불순물이 금속성 물질에 존재할 때 주변의 전자들이 자성 불순물의 자성을 없애기 위해 성질이 다른 전자를 에워싸는 현상을 말한다. 응축된 스핀 구름은 전기 전도도가 낮아지는 등 새로운 양자역학적 특성을 나타냈다.

임 교수는 “새로운 물질의 양자는 초전도(금속이 전기저항이 완전히 사라지고 전류를 무제한으로 흘려보내는 현상) 상태와 비슷했다”고 설명했다. 그는 “순수 금속에서 스핀 구름의 농도를 조절해 응축 정도에 따라 양자 상태가 어떻게 변하는지 추가 연구가 필요하다”며 “만약 응축 상태를 생성하고 제어할 수 있다면 양자컴퓨터의 기본 큐비트나 초정밀 센서로 활용 가능할 것”이라고 덧붙였다.

이번 연구 결과가 나오기까지는 7년이 걸렸다. 2015년 처음 실험 결과를 봤을 때 임 교수는 측정을 잘못했거나, 소자에 문제가 있다고 생각해 실험을 다시 수행했다. 그러나 다른 소자를 사용했을 때도 같은 측정 결과가 나오자 새로운 현상일 수 있다고 보고 연구에 매달려 성과를 내는 데 성공했다.

이진경 기자 ljin@segye.com

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