포스텍(POSTECH)은 김범준 물리학과 교수 연구팀은 조길영 한국과학기술원(KAIST) 물리학과 교수, 김범현 서울대 박사와 함께 고체 물질 속 전자가 만드는 복잡한 양자 얽힘을 세계 최초로 실험적으로 규명했다고 24일 밝혔다.
우리가 매일 쓰는 전자기기 안에는 셀 수 없이 많은 전자가 끊임없이 움직이고 있다. 어떤 전자들은 멀리 떨어져 있어도 영향을 주고받도록 연결되어 있는데, 이것이 바로 '양자 얽힘'이다. 두 개 이상의 입자들의 상태가 서로 독립적으로 기술될 수 없고 하나의 파동함수로만 설명되는 관계다. 이러한 현상은 양자 컴퓨팅이나 양자 암호학 등 차세대 양자 기술의 핵심적인 물리 현상이지만 실제 고체 내부에서 양자가 어떤 방식으로 얽혀있는지 실험으로 규명된 바는 없었다.
연구팀은 '이리듐 산화물(Nd₂Ir₂O7)'에 주목했다. 이 물질은 금속과 비금속의 경계에 위치해 복잡한 얽힘이 나타날 것으로 예측됐다. 연구팀은 여기에 X선을 쏘아 튕겨 나오는 신호를 분석하는 '공명 비탄성 X선 분광법(RIXS)'이라는 기술을 활용했다.
핵심은 간섭 신호다. 일반적으로 에너지를 잃고 산란된 신호는 간섭이 일어나지 않지만 전자 상태가 얽혀있으면 간섭 무늬가 나타난다는 점에 점에 주목했다. 서로 얽힌 전자가 만드는 간섭 패턴이 일종의 '지문'처럼 나타난다는 것이다.
연구팀은 양자 얽힘이 기존에 알려진 단순한 자기적 질서와는 전혀 다른, '스핀 사극자'라는 고차원 구조에 대응된다는 사실을 확인했다. 나아가, 이러한 사극자 질서가 기존 자기 질서와 하나의 물질 안에서 공존할 수 있다는 점도 밝혀냈다.
이번 연구는 양자 얽힘을 '측정 가능한 대상'으로 끌어냈다는 점에서 의미가 크다. '얽힘 구조'를 정밀하게 이해할 수 있게 되면, 양자 컴퓨터 성능을 높일 새로운 소재 설계나 적은 에너지로 더 빠르게 작동하는 초저전력 차세대 반도체 개발로 이어질 가능성이 있다. 스마트폰과 AI 서버, 데이터센터의 전력 소비가 급증하는 상황에서, 이러한 연구는 산업 전반에 파급력을 가질 것으로 기대된다.
김범준 교수는 “숨겨진 양자 질서를 찾아내는 새로운 접근법을 제시했다”라며, “향후 다양한 양자 물질 연구의 출발점이 될 것”이라고 말했다.
한편, 이번 연구에서 연구팀은 포항가속기연구소 '공명 비탄성 X-선 분광기'로 데이터를 확보했으며, 미국 아르곤 국립연구소, 유럽 방사광가속기 시설과의 국제 연구를 통해 결과의 신뢰성을 높였다. 재단법인 삼성미래기술육성재단 삼성미래기술육성사업, 과학기술정보통신부 중견연구사업, 교육부의 기초과학연구프로그램의 지원을 받아 이뤄진 이번 연구 성과는 최근 '네이처 머티어리얼스(Nature Material)' 온라인판에 게재됐다.
포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
