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2차원 자성 물질서 '양자 자성 다체 엑시톤' 확인[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 전자 1개가 여러 원자에 존재하는 새로운 양자상태를 발견했다.

기초과학연구원(IBS)은 박제근 前 강상관계 물질 연구단 부연구단장팀이 자성을 띤 2차원 물질에서 독특한 신호를 발견하고, 이 신호가 전자 1개가 여러 원자에 나눠 존재하는 양자다체상태의 새로운 엑시톤 임을 알아냈다고 21일 밝혔다.

덩치삼황화린니켈의 결정 구조.<자료=기초과학연구원>

엑시톤은 자유전자와 전자가 빠진 빈자리인 양공으로 이뤄진 입자이다. 광자를 방출하는 양자상태이기 때문에 양자광원이 필요한 양자정보통신에 중요한 열쇠로 거론된다.

이번에 발견한 새로운 엑시톤은 삶과 죽음이 중첩돼 존재하는 슈뢰딩거의 고양이처럼 전자 1개가 여러 원자에 나눠 존재한다. 이 엑시톤은 이론적으로 예측된 적이 없는 새로운 양자현상이다.

연구팀은 2차원 자성물질인 삼황화린니켈에서 파장 여러 개의 주파수와 파형이 일치하는 결맞음성이 강한 엑시톤 신호를 3개 실험으로 확인했다. 이어 신호 데이터를 계산해 이번에 발견한 엑시톤이 양자다체상태임을 규명했다.

2차원 물질은 1차원이나 3차원에서 나타나지 않는 전자 상호작용으로 독특한 물리적 특성을 갖는다. 이번 실험에 사용된 삼황화린니켈은 자성을 지니면서 얇은 2차원 층으로 분리되는 반데르발스 물질 중 하나다.

반데르발스 물질은 층 사이가 반데르발스 결합으로 불리는 약한 전기적 인력으로 묶여져 얇은 원자층으로 분리할 수 있는 물질을 의미한다.

연구팀은 물질에 흡수된 뒤 다시 방출되는 빛을 측정하는 광방출 실험을 통해 2차원 삼황화린니켈에서 결맞음이 강한 빛 신호를 발견했다. 이후 빛의 운동량과 에너지 분산관계를 측정하는 실험을 수행하고, 고체 내 다른 원자들과의 상호작용을 고려한 양자역학적 이론인 다체 이론으로 이 엑시톤 자료를 설명했다.

연구팀은 양자 다체 자성 엑시톤이 근본적으로 새로운 양자상태로, 2차원 물질 양자현상 연구에 기여해 양자정보기술 혁명을 앞당길 것으로 기대했다.

박제근 前부연구단장은 “2차원 물질에서는 특이 양자상태가 드물다”며 “연구진이 개척해서 중요한 연구 분야로 자리매김한 자성 반데르발스 물질 분야에서 다시 선도적인 연구 성과를 내서 이 분야를 주도했다”고 말했다.

연구 성과는 국제 학술지 ‘네이처(Nature)’에 21일 0시(한국시간)에 게재됐다.

강민구 (science1@edaily.co.kr)

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