국내 연구팀이 세계 최초로 삼각격자 구조 자성 반데르발스 물질에서 새로운 양자상태를 발견하는 데 성공했다.
서울대학교 박제근 교수 연구팀과 이화여자대학교 김성진 교수 연구팀은 반강자성 반데르발스 삼각격자 물질인 '아이오딘화 코발트(CoI2)'를 통해 삼각격자에서 양자물질 상태를 일으키는 키타에프 상호작용의 존재를 확인했다고 29일 밝혔다. 이번 연구 결과는 물리 분야 최고 권위 국제학술지 '네이처 피직스(Nature Physics)'에 28일(현지시간) 게재됐다.
연구팀은 자성 물질을 연구하던 중 기존에 사용하던 물질인 니켈을 코발트로 치환했을 때, 키타에프 모델 구현에 필요한 여러 가지 조건을 만족한다는 것을 발견했다.
키타에프 모델은 벌집 구조 물질에서 나타나는 양자 현상으로, 2차원 물질에서 구현되는 이론적 모델이다. 오류 없는 양자컴퓨터를 구현할 수 있는 양자상태를 갖는다는 점에서 세계적으로 많은 관심을 받고 있다.
양자컴퓨터는 양자의 성질을 활용해 계산을 하는 장치로 슈퍼 컴퓨터를 활용해 수십억년이 걸려야 풀 수 있는 문제를 수초 안에 풀 수 있다는 기대를 받고 있다. 그러나 아직 100~1000번의 연산에서 1번의 오류를 내는 등 오류율이 높아 이를 줄여야 본격적으로 상용화가 가능할 것으로 전망된다.
벌집 구조가 아닌 삼각격자 구조 물질이 양자상태를 가질 경우 다양한 양자 현상이 나올 수 있다는 것은 이론적으로 알려져 있었다. 그러나 실제 물질에서 구현된 적은 없어 지금까지 벌집 구조 물질을 이용해 키타에프 모델을 구현하는 것에 그쳤다.
연구팀은 일본 J-PARC 중성자 시설에서 비탄성 중성자 산란실험과 스핀파 측정을 통해 키타에프 모델을 2차원 삼각격자에서 실험적으로 구현했다. 이어 실험 결과를 미국 연구진과 공동 분석해 비공선형 자기 구조와 키타에프 상호작용의 시너지에 의한 양자 효과를 확인했다.
연구팀은 키타에프 모델을 2차원 자성 반데르발스 삼각격자 물질에서 구현한 만큼 향후 양자컴퓨터 등 양자 정보 분야에서의 높은 활용도가 기대된다고 전했다.
박제근 교수는 "2차원 물질에서 양자 얽힘이 있는 양자상태를 발견하는 것은 매우 중요하다"며 "우리 연구진이 세계적으로 중요한 연구 분야로 자리매김한 자성 반데르발스 물질 분야에서 양자상태를 발견하는 선도적인 연구 성과를 냈다"고 밝혔다.