(a) 2차원 자성 물질에서 방출된 빛을 측정했더니 특정 에너지를 가진 빛이 강한 것을 발견했다. 이러한 신호는 엑시톤의 증거로 기존보다 결맞음이 100배 이상 높은 수준 (b) 온도에 따른 신호 폭 그래프. 낮은 온도에서 신호가 매우 좁은 폭으로 분포 (c) 광방출 신호의 두께 의존성 (d) 2차원 자성 물질이 흡수한 빛을 측정했다. 이론적으로는 광방출 실험과 광흡수 실험 결과가 같아야 하는데, 광방출 실험에서 관찰했던 신호(피크 1)가 똑같이 나타난다 (기초과학연구원 제공) 2020.07.21 / 뉴스1

미세한 양자 세계에서 지금까지 발견되지 않았던 새로운 '양자 상태'를 국내 연구진이 규명했다. 이번 연구 결과는 양자 통신·컴퓨팅 기술 발전으로 이어질 수도 있는 기초 연구로 양자 세계에 대한 이해를 깊게 만들 전망이다.

과학기술정보통신부와 기초과학연구원(IBS)은 국내 공동 연구진이 새로운 양자 상태를 규명한 연구 결과가 국제 학술지 네이처에 21일 게재됐다고 밝혔다.박제근 기초과학연구원(IBS) 강상관계 물질 연구단 전(前) 부연구단장(서울대 물리천문학부 교수)은 정현식 서강대 교수, 김재훈 연세대 교수, 손영우 고등과학원 교수 등과 함께 자성을 띤 2차원 물질에서 독특한 신호를 발견하고, 이 신호가 전자 1개가 여러 원자에 나뉘어 존재하는 양자다체상태의 새로운 엑시톤이라는 것을 밝혀냈다.

양자 다체 자성 엑시톤은 근본적으로 새로운 양자상태로, 2차원 물질 양자현상 연구에 기여해 양자정보기술 발달에 기여할 것으로 기대된다.

엑시톤은 자유전자와 양공으로 이루어진 입자로, 광자를 방출하는 양자상태이기 때문에 양자광원이 필요한 양자정보통신 개발의 중요한 요소로 거론된다. 이번에 발견한 새로운 엑시톤은 이론적으로 예측된 적이 없는 새로운 양자현상으로 전자 1개가 여러 원자에 나누어 존재한다. 여러 원자에 나눠 존재한다는 것은 양자역학에서 전자 존재 확률은 산재해있는데, 전자가 한 원자가 아닌 여러 전자들에 속박돼있는 것을 말한다. 이러한 상태를 양자다체 상태라고 부른다.  

연구진은 2차원 자성물질(NiPS3·삼황화린니켈)에서 서로 결맞음성(coherence)이 매우 강한 엑시톤 신호를 서로 다른 세 가지 실험으로 확인했다. 이론적으로도 예측되지 않았던 현상이기에 다양한 실험적 결과와의 교차 검증을 거친 것이다.

이들은 물질에 흡수된 뒤 다시 방출되는 빛을 측정하는 '광방출 실험'을 통해 2차원 NiPS3에서 결맞음이 강한 빛 신호를 발견했다. 그리고 빛의 운동량과 에너지 분산관계를 측정하는 '공명 비탄성 X선 산란실험'을 수행하고, 고체 내 다른 원자들과의 상호작용을 완벽하게 고려하는 양자역학 분야의 다체 이론으로 이 엑시톤 데이터를 설명했다. 또한 초정밀 광흡수 실험을 통해 결맞음성이 매우 높은 양자 자성 엑시톤이라는 결론을 이끌어 냈다. 이러한 실험과 데이터 계산·교차 분석을 통해 새로운 양자다체상태인 것이 규명됐다.

결맞음성은 여러 주파수의 파형(위상)이 서로 일치하는 현상이다. 양자 차원의 결맞음성은 양자 얽힘 현상과 관련돼 있다. 양자 통신은 이러한 양자 얽힘 현상을 이용해 이뤄지기 때문에 이번 연구가 양자 정보 통신으로 이어질 가능성이 있는 것이다.

2차원 물질은 그래핀처럼 층을 쌓아 조립할 수 있고 특유의 성질로 인해 응용성이 크다. 또 엑시톤에서 발생하는 빛은 양자상태로 정보를 전달하는 양자정보통신으로 확장될 수 있는데, 이때 엑시톤이 갖는 양자상태를 더 잘 이해하는 것이 중요하다.

박제근 교수는 "2차원 물질에서는 특이 양자상태가 매우 드물다"며 "우리 연구진이 개척한 자성 반데르발스 물질 분야에서 또 다시 선도적인 연구 성과를 내서 이 분야를 주도했다"고 의미를 밝혔다.

박 교수는 앞으로 NiPS3 양자 자성 엑시톤에 대한 후속 연구를 이어가 높은 결맞음성을 일으키는 원리를 규명하고, 이 엑시톤을 양자컴퓨팅 등과 같은 곳에 활용할 수 있는지도 연구할 계획이다.


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