양자컴퓨팅 '나선성' 원리 세계 첫 규명…"스마트폰· 자동차 혁신 기대"

포스텍 연구팀, 미국 아르곤연구소와 전이금속 이용해 메커니즘 규명

양자 컴퓨팅 계산 분야 패러다임을 바꿀만한 연구결과가 처음 공개됐다. 스마트폰이나 자동차 등에서 혁신적인 변화가 기대됐다.

POSTECH(포항공과대학교)은 김범준 물리학과 김범준 교수 연구팀이 전이금속 칼코겐화합물에서 ’나선성 전하 밀도파'(Chiral Charge Density Wave, CDW)‘ 발생 원리 등의 메커니즘을 세계 최초로 규명했다.

이 연구 결과는 물리학계 국제 학술지 ‘네이처 피직스(Nature physics)‘ 온라인판에 게재됐다.

양자분야에서 '나선성 전하 밀도파' 원리를 처음 규명한 POSTECH 연구진. 윗줄 왼쪽부터 시계방향으로 김범준·김기석 교수, 김광래·복진모·하승혁·김현우 석박사 통합과정 연구원.

이 연구에는 POSTECH 물리학과 석박사 통합과정생으로 재학중인 김광래·김현우·하승혁 연구원과 김기석 교수, 복진모 연구원 등이 참여했다.

'나선성(Chirality)'은 물체가 자기 거울상과 대칭되지 않고 구별되는 현상이다. 전자 등의 입자 배치와 상호작용에 영향을 미치며, 양자 컴퓨팅의 속도를 획기적으로 높일 수 있다. 이 때문에 스마트폰과 컴퓨터, 자동차 등 다양한 분야에서 혁신을 이끌 것으로 기대된다는 것이 연구진 설명이다.

그러나 아원자 수준부터 생명체에 이르기까지 자연계에 널리 존재하는 나선성의 형성 원리는 아직까지 명확히 밝혀진 것이 없다.

연구팀은 자체 개발한 라만 분광 장비와 미국 아르곤연구소 장비를 이용해 빛의 비탄성 산란을 실험했다. 이를 통해 물질 내 원자 진동을 추적하고, 나선성 구조가 형성되는 과정을 세밀하게 분석했다.

연구팀은 전자가 재배치되면서 전하 밀도파가 발생할 때 원자들은 새로운 위치로 이동, 결정 구조가 변화하게 된다. 이 원자들의 움직임은 특정 형태의 진동이 고정되는 현상으로, 다양한 원자 진동을 관측함으로써 미세한 구조 변화를 포착했다.

연구팀은 이 과정에서 기존에 알려진 것과 달리 원자 진동을 지배하는 대칭성과 전하 밀도의 대칭성이 근본적으로 다르다는 사실을 세계 처음 발견했다.

그동안 ’전하 밀도파‘와 ’격자 변형‘이 동일한 대칭성을 가진다고 알려졌지만, 실제로는 이 두 현상이 서로 영향을 주고받으면서도 각기 다른 대칭성을 나타냈다.

전이금속 칼코겐화합물 결정 구조와 전하 밀도파. 모든 대칭성이 깨지며 나선성 구조(아래)가 나타남을 처음 규명했다.

또 이 대칭성의 불일치를 해결하기 위한 원자들의 추가 진동이 발생, 구조적 변화가 일어나며, 그 결과 모든 대칭성이 깨져 ’나선성 구조‘가 형성됐다.

김범준 교수는 "두 현상 간 대칭성의 차이가 나선성 구조 발현 메커니즘의 핵심"이라고 설명했다.

김 교수는 “1976년 1T-TiSe₂의 결정 구조가 처음 보고된 이후, 이 물질에서 나선성이 발현된 최초의 실험적 증거를 찾은 것"이라며 "이번 연구는 향후 양자 물질 설계에 중요한 기반이 될 것”이라고 강조했다.

이번 연구는 타이타늄(Ti)과 셀레늄(Se)으로 이루어진 1T-TiSe₂(원티-타이타늄 셀레늄 투)라는 전이금속 칼코겐화합물(TMDs3))에서 나타나는 ’전하 밀도파‘와 ’격자 변형‘의 상호작용을 규명하려는 시도에서 시작됐다.

이 두 현상은 전자의 움직임과 원자 진동, 그리고 구조 변화에 대한 중요한 정보를 제공한다.

한편 이 연구는 기초과학연구원, 재단법인 삼성미래기술육성재단 삼성미래기술육성사업, 과학기술정보통신부 중견연구사업의 지원을 받아 수행됐다.