국내 연구진, 스핀구름 응축 통해 새 양자물질 세계 최초 규명

▲(뉴시스)

극저온 실리콘 금속에서 스핀구름들의 응축 현상을 통해 새로운 양자 물질을 국내 연구진이 세계 최초로 발견했다.

과학기술정보통신부는 7일 동국대학교 임현식 교수 공동연구팀이 극저온 실리콘 금속에서 스핀구름 응축현상을 통해 새로운 양자물질을 발견·규명했다고 밝혔다. 연구 성과를 담은 논문 ‘Observation of Kondo condensation in a degenerately doped silicon metal’은 이날 저명한 국제 학술지인 네이처 피직스(Nature Physics)에 게재됐다.

스핀구름은 금속이나 반도체 내 자성 불순물 주위에서 자성을 가리기 위해 형성된 자유 전자들을 뜻한다.

자기부상열차나 자기공명영상장치(MRI) 등에 활용 가능한 고온 초전도 현상에서 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 하지만 극저온 상태를 만들고 측정해야 하는 등 실험에 제약이 커 1930년대 처음 예측됐음에도 2020년에야 그 존재가 처음 입증됐다.

연구팀은 2015년 양자컴퓨터 소자를 연구하던 중 실리콘 금속에서 그동안 학계에 보고되지 않은 특이한 양자역학적 물성을 발견했다. 이후 연구팀은 실리콘 금속을 이용해 절대영도인 섭씨 -272.15도에 가까운 극저온으로 낮춰 스핀 구름을 응축하는 상황을 만들면 나타나는 물질의 특성이 보스·아인슈타인 응축 상태인 것을 분광학과 전기 전도도 측정을 통해 밝혀냈다.

보스-아인슈타인 응축은 ‘보손’이라는 기체 원자를 극저온으로 냉각할 때 발생하는 현상이다. 고체, 액체, 기체, 플라스마와 다른 제5 상태로도 불린다.

연구진은 이번 연구를 발전시켜 스핀구름의 배열이나 크기를 조절할 수 있게 되면 양자컴퓨터나 양자 센서 등의 분야에 적용해 활용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

연구를 진행한 임현식 교수는 “이번 연구를 통해 또 다른 양자 응축상태를 생성하고 제어 할 수 있다면 양자 소자 기술에 적용 가능할 것으로 기대된다”며 “후속 연구를 통해 순수 금속에서 스핀 구름들의 농도 변화에 대한 다양한 스핀 구름의 물성을 이해하는 것이 중요하다”고 의미를 밝혔다.