국내 연구진이 40여 년간 이론으로만 제안되어 온 양자 얽힘 상태를 세계 최초로 규명하는 데 성공했다. 국립창원대학교 반도체물리학과 백승호 교수 연구팀과 서울대학교 물리학과 박제근 교수 연구팀은 차세대 반도체 및 양자소재로 주목받고 있는 2차원 반데르발스 자성체 ‘니켈 삼황화인(NiPS3)’의 전자 구조를 정밀 관측해 ‘장-라이스 삼중태(Zhang-Rice triplet state)’의 직접적인 미시적 증거를 세계 최초로 확보했다고 20일 밝혔다.
국립창원대-서울대 연구팀에 따르면 최근 NiPS3에서는 빛(엑시톤)과 자성이 강하게 결합하는 새로운 양자 현상이 보고되면서 전 세계적인 관심을 받아 왔다. 이러한 현상의 기원을 설명하기 위해 니켈(Ni)과 황(S) 원자의 전자들이 강하게 얽혀 형성하는 ‘장-라이스 삼중태’가 핵심 역할을 한다는 가설이 제시됐으나, 이를 직접 확인한 실험은 지금까지 없었다.
연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 물질 내부의 원자핵을 탐침으로 활용하는 핵자기공(NMR) 기술을 이용했다. 특히 황-33 (33S) 동위원소를 농축한 고품질 NiPS3 단결정을 직접 합성하여 기존 연구보다 훨씬 높은 정밀도로 전자 상태를 측정하였다. 그 결과, 황 원자와 니켈 원자의 전자들이 매우 강하게 결합하여 개별 전자 상태가 아닌 하나의 ‘양자 얽힘 단일 시스템’처럼 행동하는 ‘장-라이스 삼중태’를 미시적으로 증명하는 데 성공했다.
연구팀은 또한 물질이 자기적으로 질서화되기 직전의 온도 영역에서 전자들이 특정 방향성을 선호하며 요동하는 ‘네마틱(Nematic) 불안정성’을 새롭게 발견했다. 이는 액정 디스플레이(LCD)에서 분자들이 한 방향으로 정렬하는 것과 유사한 현상으로, 양자물질 내에서 전하와 자성이 긴밀하게 결합되어 있음을 보여주는 중요한 결과이다.
공동 연구진은 “이번 연구는 NMR을 이용해 오랫동안 이론적 가설로만 남아있던 양자 얽힘 상태를 관찰한 세계 최초의 성과”라며 “2차원 자성 양자물질에서 전자 상관효과와 양자 얽힘의 역할을 이해하는 데 중요한 전환점이 될 것”이라며 “이번 성과는 양자 컴퓨터나 차세대 스핀트로닉스 등 미래 양자기술에서 활용될 수 있는 새로운 양자소재를 설계하는 중요한 단서를 제공한다는 점에서 큰 의미가 있다”고 설명했다.
이번 연구는 한국연구재단 등의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 물리학 분야 최고 권위의 국제학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters, PRL)’에 게재되었다. 또한 게재 논문 가운데 약 6편 중 1편만 선정되는 편집장 우수논문(Editors’ suggestion)으로 선정되어 연구의 중요성과 파급력을 인정받았다.
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