스핀구름 응축을 통한 새로운 양자 물질 세계 최초 발견 |
- 새로운‘보스·아인슈타인 응축’물질 발견·규명에 성공 (네이처 피직스지 게재) - |
과학기술정보통신부(장관 이종호, 이하 ‘과기정통부’)는 동국대학교 임현식 교수 공동연구팀이 극저온 실리콘 금속에서 스핀구름*들의 응축 현상을 통해 새로운 양자 물질을 발견하고 규명했다고 밝혔다.
* 스핀구름(콘도구름): 금속이나 반도체 내에 자성을 가리기 위해 형성된 자유 전자들
※ 공동교신저자: 김은규 교수, 신상진 교수(한양대학교), 정연욱 교수(성균관대학교)
과기정통부 기초연구사업(중견연구 및 기초연구실) 등의 지원으로 수행한 이번 연구 성과는 국제학술지「네이처 피직스(Nature Physics)」에 2월 7일(현지시간 2.6.(월) 16시, GMT) 게재*되었다.
* 논문명: Observation of Kondo condensation in a degenerately doped silicon metal
전기 저항이 없어 자기부상열차, 자기공명영상장치(MRI) 등에 활용이 가능한 고온 초전도 현상에서 스핀구름의 역할이 매우 중요하다고 알려져 있다.
이처럼 높은 이론적·실험적 관심에도 응집물질물리학 분야에서 스핀구름 형성과 더 나아가 이들 간의 상호작용에 의한 새로운 양자 물질에 대한 연구는 아직 풀리지 않은 난제가 많다.
연구팀은 양자컴퓨터 소자관련 연구를 하던 중 우연히 실리콘 금속에서 그동안 학계에 보고되지 않은 특이한 신호를 발견하였고, 이를 소자나 측정기기의 오류가 아닌 새로운 양자역학적 물질일 것이라고 생각하고 연구를 시작했다.
스핀구름에 관한 연구는 극저온에서 측정해야하는 제약 등 여러 실험적 어려움과 해석의 한계로 인해 선행 연구가 극히 적었지만, 연구팀은 포기하지 않고 2015년부터 수년간 연구를 지속해왔다.
그 결과, 실리콘 금속에서 관측된 것은 물질의 상(相) 중 고체, 액체, 기체, 플라스마(Plasma)에 이어 1990년대에 발견된 ‘보스·아인슈타인 응축’ 상태 특성을 갖는 새로운 물질임을 분광학 및 전기 전도도 측정을 통해 밝혀냈다.
실리콘 금속을 이용하여 극저온(1[K], -272.15[℃])에서 스핀 구름들을 응축하면 새로운 양자 물질이 존재할 수 있음을 세계 최초로 발견하고 규명하는 데 성공한 것이다.
이번 연구 성과는 금속 및 반도체에서 스핀-스핀 상호 작용을 이해하고 고온 초전도체를 포함한 다양한 강상관계 물질*을 연구하는 데 기여할 것으로 기대된다.
* 강상관계 물질: 구성 입자들이 강하게 상호작용을 하여 일반적인 도체나 부도체에서 보이지 않는 특이한 현상을 나타내는 물질
임현식 교수는 “이번 연구를 통해 또 다른 양자 응축상태를 생성하고 제어 할 수 있다면 양자 소자 기술에 적용 가능할 것으로 기대된다.”라며 “후속 연구를 통해 순수 금속에서 스핀 구름들의 농도 변화에 대한 다양한 스핀 구름의 물성을 이해하는 것이 중요하다.”라고 의미를 밝혔다.
