고체·액체·기체·플라스마 다 아니야…韓과학자 새 양자물질 발견

반도체 실리콘 웨이퍼. 실리콘 금속은 이와 같이 생겼지만 기사와 직접적인 관계는 없음. / 사진=SK실트론

"제가 참여한 일본 이화학연구소(RIKEN) 연구그룹은 고체 물질을 이용한 양자컴퓨터 소자를 최초 개발했어요. 그 과정에서 알루미늄(Al)과 이산화규소(SiO2) 사이에서 발생하는 현상을 찾고 있었습니다. 그런데 2015년 실험 중 극저온 실리콘(Si) 금속에서 보고되지 않은 양자역학적 현상을 우연히 관측했죠. 저는 새로운 현상일 수 있다는 생각으로 포기하지 않고 연구해 '새로운 양자 물질'을 발견할 수 있었습니다."


임현식 동국대 물리반도체과학과 교수는 6일 '극저온 실리콘 금속에서 새로운 양자 물질'을 최초 발견한 과정을 이같이 설명했다. 우연치 않은 계기로 포착한 물리학적 현상을 8년여간 집요한 추적 끝에 만들어낸 결실이다.

과학기술정보통신부는 이날 임현식 교수 공동연구팀이 '스핀구름' 응축 현상을 통해 새로운 양자 물질을 발견했다고 밝혔다. 스핀구름은 반도체 내 자성을 가리는 자유전자들이다. 도체나 반도체 내 불순물이 스핀(spin·양자 역학적 입자)을 가질 때 원자 주위 자유전자들이 형성한 스핀구름이 형성된다. 스핀구름은 자기부상열차와 자기공명영상장치(MRI) 등에 활용될 수 있다고 알려져 있다.

스핀구름은 반도체 내 자성을 가리는 자유전자들이다. 도체나 반도체 내 불순물이 스핀(spin·양자 역학적 입자)을 가질 때 원자 주위 자유전자들이 형성한 스핀구름이 형성된다. / 사진제공=과학기술정보통신부

그동안 응집물질 물리학 분야에서 스핀구름 형성과 이들 간의 상호작용에 의한 새로운 양자 물질에 대한 연구는 여러 한계가 존재했다. 대표적으로 스핀구름에 관한 연구는 극저온에서 측정해야 하는 제약 등이 있었다.

그러나 연구팀은 양자컴퓨터 소자 연구를 하던 중 특이한 신호를 발견했고, 이를 오류가 아닌 새로운 양자 현상이라고 판단했다. 연구팀은 극저온 조건에서 분광학과 전기 전도도 측정을 실시했다.


그 결과 실리콘 금속에서 관측된 양자 물질은 고체·액체·기체·플라스마(Plasma)에 이어 1990년대에 발견된 '보스·아인슈타인 응축' 상태 특성을 갖는 새로운 물질이라는 사실을 발견했다.

보스·아인슈타인 응축은 1924년 물리학자 사첸드라 내스 보스와 알베르트 아인슈타인에 의해 일반화된 새로운 물질 현상이다. 어떤 물질의 온도를 절대온도 0K(-273.15℃)까지 낮추면 그 입자들은 낮은 에너지를 갖는 양자 상태를 지니는 것으로 알려졌다. 연구팀은 실리콘 금속을 이용해 극저온(절대온도 1K, 영하 272.15℃)에서 스핀구름을 응축하면 새로운 양자 물질이 존재할 수 있다는 사실을 세계 최초로 규명했다.

이번 연구 성과는 금속과 반도체에서 '스핀-스핀 상호 작용'을 이해하고 고온 초전도체를 포함한 다양한 강상관계 물질을 연구하는 데 쓰일 전망이다. 강상관계 물질은 구성 입자들이 강하게 상호작용해 일반적인 도체나 부도체에서 보이지 않는 특이한 현상을 나타낸다. 이는 새로운 반도체 기술이나 양자 컴퓨터 소자로 활용할 길이 열릴 수 있다는 의미다.

임현식 교수는 "이번 연구를 통해 또 다른 양자 응축상태를 생성하고 제어할 수 있다면 양자 소자 기술에 적용할 수 있을 것"이라며 "이를 실현할 수 있도록 향후 순수 금속에서 스핀구름의 농도 변화에 대한 다양한 스핀구름의 물성을 이해할 수 있도록 노력하겠다"고 강조했다.

이번 연구는 이날 국제학술지 네이처 물리학(Nature Physics)에 게재됐다. 과기정통부 기초연구사업 등의 지원으로 연구가 수행됐다. 임 교수는 2001년부터 동국대 교수 생활을 시작했으며 2002년부터는 일본 RIKEN 초빙연구원을 겸직하며 각종 공동 연구를 수행해왔다.

네이처 물리학에 임현식 동국대 교수 연구팀이 규명한 '스핀구름' 응축 현상을 통한 새로운 양자 물질을 발견한 연구결과. / 사진제공=과학기술정보통신부