국내 연구진, ‘제5상태’ 새 양자물질 찾았다

국내 연구진이 세계 최초로 스핀구름 응축 현상을 통해 새로운 양자 물질을 발견했다. 임현식 동국대 교수팀은 극저온 실리콘 금속에서 이같은 현상을 확인해 국제학술지 ‘네이처 피직스’ 2월 7일 자에 발표했다.

스핀구름은 금속이나 반도체 안에서 불순물의 자성(자기·磁氣)을 양자역학적으로 가리는 존재를 말한다. 반도체에서 스핀구름을 제어할 수 있다면, 반도체로 양자컴퓨터를 구현할 수 있어 학계의 많은 관심을 받고 있다. 고성능 양자센서, 양자통신 기술 등에도 활용 가능하다. 하지만 아직 스핀구름의 형성과 상호작용에 대한 많은 부분이 밝혀지지 않은 상태다.

연구진은 양자컴퓨터 소자와 관련된 연구를 하던 중 우연히 실리콘 금속에서 그간 보고되지 않았던 특이한 신호를 발견했다. 새로운 양자 물질이라고 생각한 연구진은 2015년부터 7년간 연구를 지속했다. 결국 영하 272도 이하의 극저온 상태에서 스핀구름을 응축하면 새로운 양자 물질이 존재할 수 있다는 것을 세계 최초로 발견했다.

이번에 발견된 양자 물질은 고체, 액체, 기체, 플라스마에 이어 ‘제5상태’라고 불리는 ‘보스-아인슈타인 응축’ 상태 특성을 갖는다. 보스-아인슈타인 응축은 극저온에서 같은 상태의 입자가 여럿 존재할 경우 마치 하나의 입자처럼 움직이는 등 독특한 양자 현상이다.

임 교수는 “응축된 스핀구름은 온도, 자기장 등 주변 환경에 민감하게 반응하기 때문에 양자 센서로 사용 가능할 것으로 보인다”며 “후속 연구를 통해 순수 금속에서 스핀구름들의 응축 정도에 따라 양자 상태가 어떻게 변하는지 등을 확인할 예정”이라고 했다.


최지원기자 jwchoi@donga.com