숙명여대, 양자 물질 내 전하-스핀-격자 상호작용 원리 규명

[서울=뉴시스]전수현 인턴 기자 = 숙명여대는 신소재물리전공 오지섭 교수 연구팀이 양자 컴퓨터 구현의 핵심으로 꼽히는 '양자 얽힘(quantum entanglement)' 현상을 제어하는 원리를 최초로 규명했다고 25일 밝혔다.

연구팀에 따르면 고온초전도체를 비롯한 강한 전자 간 상호작용이 나타나는 강상관계 물질에서는 초전도, 자성 등 다양한 양자 상(quantum phase)이 발현된다.

이러한 양자역학적 정렬 상태에 띠 구조의 위상학적 특성이 결합되면 위상초전도체(topological superconductor) 같은 특별한 양자 얽힘 상이 나타날 수 있다. 이는 양자 컴퓨터의 기본 단위인 양자비트(큐비트, qubit) 구현을 위한 핵심 소재로 주목받고 있다.

최근에는 초전도, 전하밀도파, 스핀밀도파 등 양자 상을 구현할 수 있는 카고메(kagome) 격자 구조 물질들이 양자역학적으로 얽힌 상을 발견하고 제어할 수 있는 플랫폼 소재로 떠오르고 있다.

이번 연구는 자성, 전하밀도파, 스핀밀도파가 공존하는 유일한 물질인 카고메 FeGe에서 격자, 전하, 스핀 세 가지 자유도의 상호작용에 의한 띠 구조의 변화를 각분해광전자분광법(angle-resolved photoemission spectroscopy, ARPES)을 이용해 정밀하게 관찰·분석했다.

그 결과, 연구팀은 격자, 전하, 스핀이 서로 경쟁하면서도 협력하는 독특한 얽힘을 형성한다는 사실을 밝혀냈다.

특히 전하밀도파 질서 형성에 필수적인 Ge 원자의 이합체화(dimerization)가 스핀밀도파 형성에 의해 억제되면서 동시에 전하밀도파를 강화하는 정교한 상호작용을 규명했다.

오 교수는 "온도 변화에 따른 전자 구조의 미세한 변화를 실시간으로 추적함으로써 양자역학적 자유도 간 상호작용을 분리한 점에서 중요한 의의가 있다"고 말했다.

한편 이 연구는 미국 UC 버클리, 라이스대, SLAC 국립가속기연구소 및 이스라엘 와이즈만 연구소와의 국제 공동연구로 수행됐다. 논문은 국제 학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances(IF 12.5, JCR 8.5%)' 온라인판에 지난 2일 게재됐다.


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