국립창원대·서울대, 2차원 자성 양자물질 '양자얽힘' 세계 최초 규명

[창원=뉴시스]홍정명 기자 = 국립창원대학교는 반도체물리학과 백승호 교수 연구팀이 서울대학교 물리학과 박제근 교수 연구팀과 40여년 동안 이론으로만 설명된 '양자얽힘 상태'를 세계 최초로 규명하는 데 성공했다고 20일 밝혔다.

차세대 반도체 및 양자 소재로 주목받고 있는 2차원 반데르발스 자성체 '니켈 삼황화인(NiPS3)' 전자 구조를 정밀 관측해 '장-라이스 삼중태(Zhang-Rice triplet state)'의 직접적인 미시적 증거를 세계 최초로 확보했다는 것이다.

두 대학 연구팀에 따르면 최근 NiPS3에서는 빛(엑시톤)과 자성이 강하게 결합하는 새로운 양자 현상이 보고되면서 관심을 받아 왔고 이러한 현상의 기원을 설명하기 위해 니켈(Ni)과 황(S) 원자의 전자들이 강하게 얽혀 형성하는 '장-라이스 삼중태'가 핵심 역할을 한다는 가설이 제시됐으나 이를 직접 확인한 실험은 지금까지 없었다.

연구팀은 이 문제 해결을 위해 물질 내부의 원자핵을 탐침으로 활용하는 핵자기공(NMR) 기술을 이용한 결과 황 원자와 니켈 원자의 전자들이 매우 강하게 결합해 개별 전자 상태가 아닌 하나의 양자얽힘 단일 시스템처럼 행동하는 '장-라이스 삼중태'를 미시적으로 증명하는 데 성공했다.

연구팀은 또 물질이 자기적으로 질서화되기 직전의 온도 영역에서 전자들이 특정 방향성을 선호하며 요동하는 '네마틱(Nematic) 불안정성'을 새롭게 발견했다.

이는 액정디스플레이(LCD)에서 분자들이 한 방향으로 정렬하는 것과 유사한 현상으로, 양자물질 내에서 전하와 자성이 긴밀하게 결합되어 있음을 보여주는 중요한 결과라고 설명했다.

공동 연구진은 "이번 연구는 NMR을 이용해 오랫동안 이론적 가설로만 남아있던 양자얽힘 상태를 관찰한 세계 최초의 성과"라며 "양자컴퓨터나 차세대 스핀트로닉스 등 미래 양자기술에서 활용될 수 있는 새로운 양자 소재를 설계하는 중요한 단서를 제공한다는 점에서 큰 의미가 있다"고 덧붙였다.

이번 공동 연구는 한국연구재단 등 지원을 받아 수행됐으며 연구 결과는 물리학 분야 국제학술지 '피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters, PRL)'에 게재됐다.

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