국내 연구진, 스핀구름 응축 통해 새 양자물질 세계 최초 규명

▲(뉴시스)

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.