삼각격자 구조 자성 물질서 세계 최초 양자상태 발견

양자 컴퓨터 등 양자정보 분야서 높은 활용도 기대

삼각격자 구조의 물질에서 새로운 양자 상태가 최초로 발견됐다. 향후 양자 컴퓨터 등 양자 정보 분야 활용이 기대된다.

서울대 박제근 교수 연구팀과 이화여대 김성진 교수 연구팀은 벌집 구조가 아닌 삼각격자 구조의 자성 반데르발스 물질에서 오류 없는 양자 컴퓨터의 기반이 되는 키타에프 모델을 구현했다.

과기정통부 기초연구사업(리더연구) 지원으로 수행한 이번 연구 성과는 학술지 '네이처 피직스(Nature Physics)'에 28일(현지시간) 게재됐다.

아이오딘화 코발트(CoI2)의 구조 및 삼각격자에서의 키타에프 모델 도식 (자료=서울대 박제근, 과기정통부)

키타에프 모델은 벌집 구조를 갖는 물질에서 나타나는 양자 현상으로, 오류가 없는 양자 컴퓨터를 구현할 수 있는 양자 상태를 가진다. 벌집 구조 격자 위 원자들의 스핀 상호작용을 기반으로 설명한다. 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 하나로, 바닥 상태가 양자 컴퓨터에 사용할 수 있는 양자 상태를 가지는 것이 알려져 있다.

벌집 구조가 아닌 삼각격자 구조의 물질이 양자 상태를 가질 경우 다양한 양자 현상이 나올 수 있다고 이론적으로는 알려져 있었으나, 실제 물질에서 구현된 적은 없었다.

연구팀은 자성 물질을 연구하던 중 기존 니켈(Ni)을 코발트(Co)로 치환하면 키타에프 모델이 구현되는 여러  조건을 만족함을 알게됐다. 연구팀은 아이오딘화 코발트(CoI₂)의 특성을 이론적으로 밝히고, 실험적 증명을 위해 일본 및 미국 연구진과 협력했다. 일본 J-PARC 중성자 시설을 이용해 비탄성 중성자 산란실험과 스핀파 측정을 실시했고, 실험 결과는 미국 연구진과 공동으로 분석했다. 그 결과, 세계 최초로 2차원 삼각 격자에서 키타에프 모델을 실험적으로 구현했음을 확인했다.

양자 컴퓨터에 활용할 수 있는 키타에프 모델을 2차원 자성 반데르발스 삼각 격자 물질에서 구현, 향흐 응집물질물리 및 양자 정보 분야에서 높은 활용도가 기대된다.

박제근 교수는 "2차원 물질에서 양자 얽힘이 있는 양자 상태를 발견하는 것은 매우 중요하다"라며 "우리 연구진이 개척해 중요한 연구 분야로 자리매김한 자성 반데르발스 물질 분야에서 양자 얽힘이 중요한 양자 상태를 발견하는 선도적 연구 성과를 또다시 냈다"라고 밝혔다.

논문 제목은 'Bond-dependent anisotropy and magnon decay in cobalt-based Ktiaev triangular antiferromagnet'이다.