삼각격자 구조 자성 물질에서 "세계 최초로 양자상태” 발견

[디지털비즈온 이호선 기자] 한국 연구팀이 세계 최초로 삼각 격자 구조를 가진 자성체에서 새로운 양자 상태를 발견하는 데 성공했다.

서울대 박채근 교수연구팀과 이화여자대학 김성진 교수연구팀이 삼각격자 구조의 반델발스 자성체에서 '키타예프 모델'을 발견 에 성공했다고 한국과학기술정보통신부는 29일 밝혔다.

키타예프 모델은 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.

연구팀은 삼각 격자를 가지고 있는 자성체 요오드화 코발트를 분석하는 동안 이런 특성이 나타나는 것을 처음 확인했다고 밝혔다.

연구팀은 키타에프 상호작용을 삼각격자에 구현할 수 있는 물질로서 반강자성 반데르발스 삼각격자 물질인 CoI2를 비탄성 중성자 산란 실험을 통해 측정하였다.

먼저 자성 상전이보다 높은 온도에서 이 물질의 자성 들뜸을 측정하여 운동량 방향에 의존하는 들뜸을 확인하였고, 모델 계산을 통해서 키타에프 상호작용이 존재해야지만 측정 결과 및 기존에 관측된 자성 구조를 설명할 수 있음을 확인하였다.

이 물질은 약 40년 전에 처음으로 합성이 가능해지는 것이 밝혀졌지만, 수분에 매우 약하기 때문에 관련 연구가 많지 않았다. 연구팀은 이를 실험에서 증명하기 위해 일본 J-PARC 중성자 시설을 이용해 비탄성 중성자 산란 실험과 스핀파를 측정하고 이를 미국 연구팀과 함께 분석해 검증했다.

삼각 격자 구조를 가진 물질은 양자 상태를 가질 때 다양한 양자 현상이 나타나는 것은 이론적으로 알려져 있었지만, 실제 물질로 구현된 것은 이번이 처음이라고 연구팀은 설명했다.

연구를 통해서 기대효과로는 처음으로 키타에프 상호작용이 존재하는 삼각격자에서의 스핀 동역학을 확인하였으며 이 자성 들뜸이 스핀파 붕괴와 같은 강한 양자 효과를 받는다는 것을 알아냈다.

이는 양자 물질 연구의 관점에서 새로운 방향을 제시함으로써 기하학적 쩔쩔맴과 비등방성 상호작용이 모두 존재하는 자성 상태에 대한 이해를 돕는 중요한 발견이라 설명했다.

그리고 대부분의 운동량 공간에서 마그논 붕괴가 일어나는 예시가 현재까지 존재하지 않았기에 마그논 상호작용에 의한 스핀 동역학의 이해에도 중요한 지표가 될 것이라 전망했다.

박 교수는 “2차원 물질에서 양자 얽힘이 있는 양자 상태를 발견하는 것은 매우 중요하다”며 “우리 연구진이 열리고 세계적으로 중요한 연구 분야가 된 판델발스 자성체 분야에서 양자 얽힌 가 중요한 양자 상태를 발견하고 이 분야를 주도했다”고 말했다.

이번 연구결과는 물리 분야 세계최고 권위 학술지 '네이처피직스(Nature Physics)'에 게재됐다.