표준연, 노벨상 받은 '별난 물질' 베일 벗겼다

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국내 정부출연연구기관(출연연)이 국제 공동연구를 통해 '별난 물질'로 불려 온 위상물질 측정 기술을 개발했다. 이번 성과로 베일에 가려졌던 위상물질을 양자소자로 활용하는 등 실제 활용할 수 있는 기반을 마련했다.

한국표준과학연구원(원장 박상열)은 서준호 양자기술연구소 책임연구원과 김건우 독일 쾰른대 연구위원 공동연구팀이 나노역학소자 공진 주파수를 분석, 위상물질 특성을 측정하는 기술을 개발했다고 23일 밝혔다.

연구에 활용된 위상물질 기반 나노역학소자 모습. 가운데 기타 줄처럼 고정돼있는 부분이 나노선이다.
<연구에 활용된 위상물질 기반 나노역학소자 모습. 가운데 기타 줄처럼 고정돼있는 부분이 나노선이다.>

위상물질은 '위상학적 상태'를 가진 물질이다. 2016년 노벨물리학상을 받은 연구주제다. 물체 형상을 바꿀 때 발생하는 성질 변화를 다루는 '위상학' 이론을 현실화 한 것인데, 구멍 수로 상태를 구분한다. 예를 들어 구멍이 한 개 있는 도넛과 구멍이 없는 공은 마치 고체와 액체처럼 전혀 다른 상태다. 양자소자에 활용할 수 있을 것으로 기대를 모으지만 아직 특성을 완벽히 이해하기 어려웠다.

연구팀은 위상물질 주요 특성인 전자상태밀도를 측정해 이를 현실화하는 첫 발을 내딛었다. 비스무스셀레나이드(Bi₂Se₃) 화합물로 수백 나노미터(㎚) 굵기를 지닌 위상물질 역학소자을 만들고, 이를 진동시키는 방법으로 역학 공진을 유도·측정했다. 나노역학소자는 나노선 양쪽을 고정해 공중에 띄운 형태다. 기타 줄을 튕기면 공진하듯, 이 소자도 공진을 발생시킨다. 이때 위상상태를 알 수 있다.

서준호 책임연구원이 나노역학소자 실험을 수행하는 모습
<서준호 책임연구원이 나노역학소자 실험을 수행하는 모습>

연구팀은 나노선 표면 전자가 양자 결맞음을 유지한다는 것을 확인했다. 양자 결맞음은 양자 파동의 결이 맞는 현상을 뜻한다. 역학 성질을 갖게 하는 기반이다. 위상물질은 이것에 반대되는 양자 결깨짐에 강한 특징을 가진 것으로 나타났다.

서준호 책임은 “이번에 개발한 측정기술은 위상물질 특성을 파악한 중요한 성과”라며 “큐빗이나 스핀트로닉스 소자와 같은 양자소자에 활용할 수 있다”고 말했다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com