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지하철 2호선의 "유레카"…양자얽힘 엑시톤 첫 발견

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작성자 진형동 작성일20-07-21 15:24 조회16회 댓글0건

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서울대-연세대-서강대-고등과학원, 네이처에 새로운 양자현상 발표[아이뉴스24 최상국 기자] 하나의 전자가 여러 원자에 나뉘어 존재하는 '양자 다체 상태'가 처음으로 발견됐다.

박제근 서울대 물리천문학부 교수(IBS 강상관계물질연구단 前부연구단장) 연구팀은 지난 2016년 2차원 자성(磁性) 물질의 빛 방출 실험을 하던 중 특정 에너지대에서 비정상적으로 강한 빛을 내는 엑시톤(exciton, 전자와 양공으로 이루어진 입자)을 발견했다.

이후 약 5년 동안 서강대 정현식 교수, 연세대 김재훈 교수, 고등과학원 손영우 교수 등이 서로 다른 방식의 실험과 계산을 통해 이 특이한 현상을 연구한 결과 '전자 한 개가 여러 원자에 나뉘어 존재하는 양자다체상태의 새로운 엑시톤(Coherent many-body exciton)'이라는 결론을 내렸다고 밝혔다.

그동안 예측된 적이 없는 새로운 양자현상이, 양자 상태에서 빛을 방출하는 엑시톤에서 발견됨에 따라 양자광원을 이용하는 양자정보통신 기술에서 획기적인 전기가 될 것으로 기대된다.

이 연구는 21일 자정 세계적 학술지인 네이처(Nature)를 통해 공개됐다.

양자 다체 자성 엑시톤 연구진 공동교신저자. (왼쪽부터) 곽제근 교수(서울대 물리천문학부), 정현식 교수(서강대 물리학과), 김재훈 교수(연세대 물리학과), 손영우 교수(고등과학원 계산과학부) [과기정통부 제공]

◆양자얽힘 상태의 엑시톤을 처음으로 발견하다

엑시톤은 자유전자와 양공(전자가 빠져나간 빈자리)으로 이루어진 입자다. 절연체에 빛을 쪼이면 원자에 속박된 전자가 들뜬 상태가 돼 양공 주위를 돈다. 엑시톤을 이루는 전자와 양공이 다시 만나면 빛을 방출하고 바닥상태로 돌아간다. 엑시톤의 존재는 이 빛을 감지함으로써 알 수 있다.

연구진은 2차원 자성물질인 삼황화린니켈(NiPS3)을 대상으로 한 빛 방출 실험에서 1.5 eV 근처에 매우 뾰족한, 통상적인 수준보다 수백 배 좁게 분포하는 신호가 존재하는 것을 확인했다. 1.5 eV 에너지대에서 결맞음성(coherence)이 매우 강한 엑시톤 신호를 발견한 것이다.

당시 이 결과를 본 정현식 교수(서강대)가 "내 평생 이렇게 뾰족한 피크는 처음 본다"고 말할 정도로 이상했고, 기존의 어떤 지식으로도 설명되지 않았다.

연구팀은 이후 영국의 방사광가속기 '다이아몬드'를 통해 이 엑시톤이 갖는 운동량과 에너지에 대한 아주 구체적인 데이터를 얻어내고, 이를 이론적으로 설명하기 위해 고등과학원 손영우 교수팀이 150만개의 경우의 수를 계산으로 풀어냈다. 연세대 김재훈 교수팀은 광흡수 실험으로 광방출 실험과 비교했다.

연구팀은 결국 세 가지 측정방법을 동원한 실험연구와 다체(many body) 계산을 이용한 이론 연구를 함께 수행한 끝에 세 개의 실험이 같은 결과를 가리킨다는 것을 확인하고, 이 엑시톤이 결맞음성이 매우 높은 양자 자성 엑시톤이라는 결론을 내렸다.

연구팀은 이론적으로 이러한 현상을 '쟝-라이스(Zhang-Rice) 양자다체상태'로 설명했다. 쟝-라이스 상태는 '전자가 존재할 확률이 산재해 있어, 여러 원자에 동시에 속박되어 있는 독특한 양자상태'를 말한다. 원래 고온 초전도체 현상을 설명하기 위한 이론으로 1988년 처음 등장했지만 이후 고온 초전도체 실험이 더 발전되면서 실험결과와 일치하지 않아 사장된 이론이다. 박제근 교수는 이를 "자동차용으로 개발했다가 실패해 버려진 도구가 훗날 자전거용으로 유용하게 사용된 것"으로 비유했다.

◆"지하철 2호선의 오디세이"…양자정보통신의 새로운 길을 열다

이번 연구는 2차원 자성 물질에서 누구도 예측하지 못했던 양자 현상을 발견한 것이 가장 큰 성과다. 이 엑시톤은 강한 결맞음성을 보이면서, 자성을 띠는 스핀자유도가 양자적으로 얽힌 매우 특이한 형태다. 연구진은 "2차원 자성체는 물론이고, 지금까지 이렇게 다체상태에 의해 스핀이 얽힌 엑시톤은 발견된 적이 없다"고 전했다.

엑시톤은 양자상태에서 광자를 방출하는 양자광원이어서 기본적으로 양자정보통신 기술의 중요한 열쇠로 거론된다. 연구진은 "자성을 갖는 엑시톤도 드문데, 결맞음이 통상적인 수준보다 수백 배 높아 기존에 알려진 메커니즘과 전혀 다른 물리 현상임을 시사한다"면서. 이 엑시톤을 양자컴퓨팅 등에 활용할 수 있을지 후속 연구를 진행할 계획이라고 밝혔다.

2차원 자성 물질 연구는 물리학 전체에서 갖는 중요성에도 불구하고 박제근 교수가 2010년 서울대에서 연구를 시작하기 전까지는 학계에 전혀 알려지지 않았던 분야다. 해외에서도 한국에서 개척한 중요한 연구분야로 인식되고 있는 전세계적으로 드문 예이다.

박제근 교수는 이번 연구 성과가 "서울대, 서강대, 연세대, 고등과학원의 연구자들이 어두운 방에서 벽을 더듬어 가는 것과 같은 작업을 함께 진행한 결과"라면서 "여러 실험들을 계속하면서 전혀 연결되지 않았던 실험 결과들이 서로 깊은 관련이 있다는 것을 깨달았을 때 ‘유레카’를 경험"한 감동을 전했다.

박 교수는 "세 실험팀과 한 이론팀이 새로운 아이디어와 결과를 주거니 받거니 하면서 지난 5년 동안 수많은 토론을 하면서 흥미로운 연구를 진행했다. 이 기간 동안 연구진들이 지하철 2호선을 타고 다니면서 수없이 많은 토론을 했기 때문에, 이 연구성과를 ‘과학의 2호선 오디세이’라 부르고 싶다."고 말했다.

◇논문명 : Coherent many-body exciton in van der Waals antiferromagnet NiPS3

◇저자 : 강순민(공동 제1저자, IBS/서울대), 김강원(공동 제1저자, 서강대), 김범현(공동 제1저자, KIAS), 김종현(공동 제1저자, 연세대), 심경익(연세대), 이재웅(아주대), 이성민(IBS/서울대), 박기수(IBS/서울대), 윤석환(IBS/서울대), 김태훈(IBS/서울대), A. Nag(Diamond Facility), A. Walters(Diamond Facility), M. Garcia-Fernandez(Diamond Facility), J. Li(Diamond Facility), L. Chapon(Diamond Facility), K. Zhou(공동교신저자, Diamond Facility), 손영우(공동교신저자, KIAS), 김재훈(공동교신저자, 연세대), 정현식(공동교신저자, 서강대), 박제근(공동교신저자, IBS/서울대)

최상국기자 skchoi@inews24.com


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위구르족 탄압에 제재… 비자 제한도 검토
美, 대만 대표처 직원 국무부 건물 출입 허용
“서방국, 베이징 동계올림픽 보이콧할 수도”
코로나19로 입원했던 보리스 존슨 영국 총리가 중환자실로 옮겨지면서 총리직 대행을 맡은 도미닉 라브 외무장관이 6일(현지시간) 런던 다우닝가 10번가에서 코로나19 대응과 관련해 기자회견을 하고 있다.런던 신화 연합뉴스중국의 ‘홍콩 국가보안법’(홍콩보안법) 시행으로 미중 대결 구도가 격화하는 가운데 영국도 미국을 도와 ‘중국 압박’에 동참하는 모습이다. 이민법 개정과 화웨이 퇴출 결정에 이어 홍콩과의 범죄인인도조약도 중단하기로 했다. 미국 정부는 주미 대만대사 격인 대만 대표처 처장이 2015년 이후 처음으로 미 국무부 건물로 들어올 수 있게 해 ‘하나의 중국’ 원칙을 의도적으로 훼손했다. 일각에서는 서구세계가 2022년 중국 베이징 동계올림픽 참가를 보이콧할 것이라는 관측까지 내놓고 있다.

더타임스는 19일(현지시간) “영국 정부가 중국 소수민족 탄압을 이유로 홍콩과의 범죄인인도조약을 폐지하기로 했다”고 보도했다. 도미닉 라브 영국 외무장관은 중국이 이슬람 소수민족인 위구르족을 탄압하는 데 대한 제재안 가운데 하나로 이같이 결정했다.

영국 정부는 중국의 기관과 개인에게 ‘마그니츠키 제재’를 부과하는 방안도 검토 중이다. 이 제재는 러시아에서 권력층의 부패를 폭로했다가 의문사한 변호사 세르게이 마그니츠키(1972~2009)를 기려 인권 유린국에 자산 동결이나 여행 제한, 비자 발급 제한 등 조치를 내리는 것을 말한다. 영국은 중국이 홍콩보안법을 강행하자 이민법을 개정해 홍콩 주민들을 정치적 난민으로 받아들이고 통신장비 업체 화웨이를 퇴출시키기로 하는 등 연일 중국과 대립각을 세우고 있다.

라브 장관은 이날 BBC방송 인터뷰에서 “국제사회 파트너들과 협력 중”이라고도 했다. 영어권 정보 동맹체인 ‘파이브 아이스’(미국·영국·캐나다·호주·뉴질랜드)가 중국에 공동 대응할 것임을 시사한 것이다. 실제로 캐나다와 호주가 최근 홍콩과의 범죄인인도조약을 중단했다.

중국시보 등 대만 언론은 가오숴타이 타이베이경제문화대표처장이 이임을 앞둔 지난 8일 미 국무부에서 데이비드 스틸웰 동아시아·태평양 담당 차관보와 면담했다고 20일 전했다. 버락 오바마 행정부는 2015년 ‘대만 교류 준칙’을 통해 주미 대만 대표처 직원이 미 국무부 빌딩에 출입할 수 없다고 선언했다. 가오 처장의 방문은 이 규정이 해제됐음을 뜻한다.

미중 관계가 갈수록 나빠지자 20일 사우스차이나모닝포스트는 “1980년대 미소 냉전 시기 양 진영이 상대국에서 열리는 올림픽(1980년 모스크바·1984년 로스앤젤레스)에 불참했다. 베이징 동계올림픽도 보이콧 움직임이 나타날 수 있다”고 내다봤다. 이런 분위기가 감지되자 토마스 바흐 국제올림픽위원회(IOC) 위원장은 지난 17일 “보이콧은 선수들에게 해만 될 것”이라며 우려를 표했다.

류지영 기자 superryu@seoul.co.kr



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