국내 연구팀이 극저온 실리콘 금속에서 스핀구름들의 응축 현상을 통해 새로운 양자 물질을 세계에서 처음으로 발견하는데 성공했다. 스핀구름(콘도 구름)은 금속이나 반도체 내에 자성을 가리기 위해 형성된 자유전자들을 말한다.
원자안에서 핵 주변을 도는 일반적인 전자와 달리 자유전자는 핵에 구애받지 않고 자유자재로 움직인다. 이런 자유전자들이 모인 것이 스핀구름이다.
전기 저항이 없어 자기 부상열차, 자기 공명영상장치 등에 활용이 가능한 고온 초전도 현상에서 스핀구름의 역할을 매우 중요한 것으로 알려져있다.
연구팀은 양자컴퓨터 소자관련 연구를 하던 중 우연히 실리콘 금속에서 그동안 학계에 보고되지 않은 특이한 신호를 발견했고 이를 끈질기게 분석해 ‘측정기기의 오류’가 아니라 새로운 양자역학적 물질이라는 것을 찾아냈다.
과기정통부는 임현식 동국대 교수 공동연구팀이 영하 272도라는 극저온에 놓인 실리콘 금속에서 나타나는 스핀구름의 응축현상을 이용해 새로운 양자물질을 최초로 발견했다고 7일 밝혔다. 영하 272도는 자연에서 존재하는 가장 낮은 온도로 알려져있다.
스핀구름들을 응축하면 새로운 양자 물질이 존재할 수있음을 발견하고 규명하는데 성공한 것이다.
이 연구결과는 국제학술지 ‘네이처 피직스’2월7일자에 실렸다. 논문명은 ‘Observation of Kondo condensation in a degenerately doped silicon metal‘.
이번 연구성과는 금속 및 반도체에서 스핀-스핀 상호작용을 이해하고 고온 초전도체를 포함한 다양한 강상관계 물질을 연구하는데 기여할 것으로 기대된다. 강상관계물질은 구성 입자들이 강하게 상호작용을 해 일반적인 도체나 부도체에서 보이지 않는 특이한 현상을 나타내는 물질을 말한다.
스핀구름에 관한 연구는 극저온에서 측정해야하는 제약 등 여러 실험적 어려움과 해석의 한계로 인해 선행연구가 거의 없었지만 연구팀은 포기하지 않고 2015년부터 연구를 지속해왔다.
임현식 교수는 “이번 연구를 통해 또 다른 양자 응축상태를 생성하고 제어 할 수 있다면 양자 컴퓨터의 기본이 되는 큐빗(qubit)으로 응용할 수을 것”이라고 말했다.
큐빗은 양자컴퓨터의 정보처리 단위다. 임교수는 이어 “후속 연구를 통해 순수 금속에서 스핀 구름들의 농도 변화에 대한 다양한 스핀 구름의 물성을 이해하는 것이 중요하다고 강조했다.