2차원 물질서 새로운 양자현상 발견…"전자 1개가 여러 원자에 존재"

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[아시아경제 황준호 기자] 전자 1개가 여러 원자에 나눠 존재하는 자성 엑시톤이 국내 연구진에 의해 발견됐다. 자성을 띄는 엑시톤도 발견되기 힘든데, 새로운 양자 현상을 띄고 있다는 것까지 밝혀냈다. 이 엑시톤에서 발생하는 빛은 양자 상태로 정보를 전달하는 양자정보통신으로 활용될 수 있어, 양자정보기술 상용화에 새로운 기반 기술이 될 것으로 예상된다.

기초과학연구원은 박제근 서울대 물리천문학부 교수(강상관계물질연구단 전 부연구단장)가 정현식 서강대 교수, 김재훈 연세대 교수, 손영우 고등과학원 교수 등과 함께, 자성을 띤 2차원 물질에서 전자 1개가 여러 원자에 나눠 존재하는 양자 다체 상태의 새로운 엑시톤을 발견했다고 20일 밝혔다. 연구진의 연구 성과는 국제 학술지인 네이처에 21일(현지시간) 소개됐다.

덩치삼황화린니켈(NiPS3)의 결정 구조다. 실험에 사용한 2차원 자성 반데르발스 물질의 각 층은 육각형 구조로 이뤄져 있다. 층간 결합을 이루는 반데르발스 결합은 약해서 쉽게 층을 분리할 수 있다. 강자성과 같이 스핀 방향이 고정돼 있지만, 인접한 스핀끼리 반대 방향을 띠어 전체적으로는 자성을 띠지 않는 반강자성 물질이다.

연구진은 자성을 갖고 있는 삼황화란니켈(NiPS3)에서 매우 강한 엑시톤 신호를 발견하고, 이 엑시톤이 양자다체 상태라는 점을 규명했다.

NiPS3은 자성을 가지면서 얇은 2차원 층으로 분리되는 반데르발스 물질 중 하나다. 반데르발스 물질은 층과 층 사이가 약한 전기적 인력으로 묶여 있어 얇은 원자층으로 분리할 수 있는 물질이다.

연구진은 NiPS3을 대상으로 빛이 물질에 흡수된 뒤 다시 방출되는 빛을 측정하는 광방출 실험을 통해 NiPS3의 결맞음성이 매우 강한 엑시톤 신호를 포착했다. 결맞음성은 여러 개의파장과 파형이 일치함을 말한다. 파장이 다양한 자연광보다 단일한 파장을갖는 레이저가 결맞음성이 높다고 한다.

또한 연구진은 포착한 엑시톤이 양자 다체 상태에 있다는 점을, 빛의 운동량과 에너지 분산 관계를 측정하는 공명 비탄성 X선 산란실험을 통해 입증했다. 약 150만 개의 방대한 경우의 수를 다루는 다체 계산을 통해 이 엑시톤이 이론적으로 알려진 쟝-라이스 양자 다체 상태에 의한 것임을 밝혀낸 것이다.

NiPS3에서 광방출, 광흡수 실험을 통해 얻은 엑시톤 신호다. 그래프(a)를 보면 2차원 자성 물질에서 방출된 빛을 측정한 결과를 볼 수 있다. 특정 에너지를 가진 빛이 강하게 나타나 있는데, 이는 엑시톤의 증거다. 기존보다 결맞음이 100배 이상 높은 수준이다.

연구진은 자성 엑시톤도 발견되기 힘든데, 자성을 띄면서 새로운 양자 형태를 갖는 엑시톤을 발견했다는 점에서 의의가 크다고 밝혔다. 이어 2차원 물질의 양자현상 연구에 기여해 양자정보기술 혁명을 앞당길 것으로 기대했다. 엑시톤에서 발생하는 빛은 양자 상태로 정보를 전달하는 양자정보통신으로 활용될 수 있다.

박제근 前부연구단장은 "2차원 물질에서는 특이 양자상태가 매우 드물다"며 "우리 연구진이 개척해서 중요한 연구 분야로 자리매김한 자성 반데르발스 물질 분야에서 또다시 선도적인 연구 성과를 내서 이 분야를 주도했다"라고 밝혔다.

황준호 기자 rephwang@asiae.co.kr

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