- 양자컴퓨터 등 양자정보 분야에서 높은 활용도 기대(네이처 피직스 게재)
[그림 1] 아이오딘화 코발트(CoI2)의 구조 및 삼각격자에서의 키타에프 모델 도식
삼각격자에 키타에프 모델을 구현한 이 물질은, 인접한 코발트 이온끼리 인접한 결합을 이루며 각 결합의 종류(빨강, 파랑, 초록 선)에 따라서 수직한 방향으로 스핀을 서게 한다. 이러한 서로 수직한 방향으로 스핀을 서게 하려는 상호작용이 물질에 복잡한 양자 상태를 구현하게 한다.
[그림 2] 아이오딘화 코발트의 자성 상전이 위의 들뜸
비탄성 중성자 산란 실험으로 측정한 CoI2의 자성 상전이 위 (13 K)에서 측정한 스핀 동역학. 실제 실험 결과를 일반적인 등방성 모델과 키타에프 상호작용이 우세한 모델과 비교 하였을 때 키타에프 상호작용이 우세한 모델이 실제 결과를 잘 설명함을 확인하였다.
과학기술정보통신부(과기정통부)는 서울대학교 박제근 교수 연구팀과 이화여자대학교 김성진 교수 연구팀이 삼각격자 구조 자성 반데르발스 물질에서 새로운 양자상태 발견에 세계 최초로 성공했다고 밝혔다.
과기정통부 기초연구사업(리더연구) 지원으로 수행한 이번 연구 성과는 국제학술지「네이처 피직스(Nature Physics)」에 8월 29일(현지시간 8.28.(월) 16시, GMT) 게재*되었다.
* 논문명 : Bond-dependent anisotropy and magnon decay in cobalt-based Ktiaev triangular antiferromagnet
키타에프 모델은 벌집 구조를 가지는 물질에서 나타나는 양자 현상으로, 오류가 없는 양자컴퓨터를 구현할 수 있는 양자상태를 가지기 때문에 세계적으로 많은 관심을 받고 있다.
그동안 국내·외 많은 연구자들은 벌집 구조 물질를 이용하여 키타에프 모델을 구현하는 데에 그쳤다.
벌집 구조가 아닌 삼각격자 구조를 가진 물질이 양자상태를 가질 경우 다양한 양자 현상이 나올 수 있다는 것은 이론적으로만 알려져 있을 뿐 실제 물질에서 구현된 적은 없었다.
연구팀은 자성 물질에 대해 연구하던 중 기존에 사용하고 있던 물질 니켈(원소기호: Ni)을 코발트(원소기호: Co)로 치환할 경우, 키타에프 모델이 구현되는 여러 가지 조건을 만족한다는 것을 알게 되었다.
연구팀이 사용한 아이오딘화 코발트(CoI2)는 약 40년 전에 합성이 가능하다는 것이 밝혀졌지만, 수분에 매우 취약해 이에 대한 연구는 많지 않아 이 물질을 사용하는 데 어려움이 있었다.
이러한 어려움에도 불구하고 연구팀은 자성물질에 대한 연구를 지속해왔기 때문에, 이 물질을 보다 안정적인 상태에서 분석하는 것이 가능하였다.
연구팀이 이론적으로 밝혀낸 것을 실험적으로 증명하기 위해, 일본 J-PARC* 중성자 시설을 이용하여 비탄성 중성자 산란실험과 스핀파 측정을 실시하였고, 실험결과는 미국 연구진과 공동연구를 통해 분석하였다.
* J-PARC : Japan-Proton Accelerator Research Complex
이는 2차원 삼각격자에서 키타에프 모델을 실험적으로 구현한 세계 최초의 결과이며, 한·미·일 국제 공동연구를 통해 양자물질에서 세계적인 연구성과를 달성한 것이다.
연구팀의 연구성과는 양자 컴퓨터에 활용할 수 있는 키타에프 모델을 2차원 자성 반데르발스 삼각격자 물질에서 구현함으로써 응집물질물리 및 양자 정보 분야에서 향후 높은 활용도가 기대된다.
박제근 교수는 “2차원 물질에서 양자 얽힘이 있는 양자상태를 발견하는 것은 매우 중요하다”며 “우리 연구진이 개척해서 세계적으로 중요한 연구 분야로 자리매김한 자성 반데르발스 물질 분야에서 양자 얽힘이 중요한 양자상태를 발견하여 또다시 선도적인 연구 성과를 내서 이 분야를 주도했다.”라고 의미를 밝혔다.
▶용어 해설
1. 네이처 피직스(Nature Physics) 誌
○ 물리 분야 세계최고 권위 학술지(Impact Factor : 19.684)
2. 키타에프 모델 (Kitaev model)
○ 2차원 물질에서 구현되는 이론적 모델. 벌집 구조 격자 위 원자들의 스핀 상호작용을 기반으로 설명한다. 이 모델의 경우 각 이웃하는 스핀들끼리 서로 다른 3차원에 수직한 축에 같은 방향으로 서게 하는 상호작용을 가지고 있다.
○ 이 모델은 해석적으로 바닥 상태를 구할 수 있는 소수의 2차원 모델 중 하나로써 바닥 상태가 양자 컴퓨터에 사용할 수 있는 양자 상태를 가지는 것이 알려져 있다.
2. 반데르발스 물질 CoI2
○ 반데르발스 물질은 층 사이가 약한 반데르발스 결합으로 이루어져 2차원으로 얇은 층을 분리할 수 있다. 간단히 2차원 물질을 만들 수 있어 각광받고 있다.
○ 반데르발스 물질인 CoI2는 저온인 8K에서 비공선형 구조(스핀들이 일정한 주기를 가지고 한 평면에서 회전하여 진행하는 구조)를 띠고 있다.
3. 스핀파(spin wave)와 스핀파 감쇠(spin wave damping)
○ 스핀파란 강자성체나 반강자성체에 외부 자극이나 열이 가해질 때 생기는 스핀 배열의 요동으로, 그 요동 패턴이 마치 파동과 같아 붙은 이름이다. 스핀파의 운동량-에너지 관계를 측정하면 자성체의 강자성/반강자성 상호작용에 대한 구체적인 정보를 얻을 수 있다.
○ 이상적인 경우, 스핀파는 자성체 내부에서 손실되거나 소멸되지 않는다. 그러나 불순물에 의한 결함, 온도에 의한 열적 요동, 스핀파 간의 상호작용 등 여러 가지 이유로 인해 스핀파가 서서히 소멸될 수 있는데, 이를 스핀파 감쇠라고 한다.
4. 비탄성 중성자 산란
○ 중성자를 물질에 입사한 후 물질과 중성자 간의 비탄성 충돌을 관측하여 물질의 격자 및 스핀 동역학을 측정하는 방법이다. 거대 가속기 시설에서만 진행할 수 있는 실험으로, 이번 연구에서는 일본의 J-PARC 중성자 연구시설을 이용하였다.
