■ 삼각 구조 자성 물질에서 세계 최초 양자 상태 발견

■ 삼각 구조 자성 물질에서 세계 최초 양자 상태 발견

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● 양자 컴퓨터에 활용할 수 있는 키타에프(Kitaev) 모델을 자성 물질에서 구현

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★ 과학기술정보통신부는 서울대 박제근 교수 및 이화여대 김성진 교수 연구팀이 삼각 격자 구조 자성 반데르발스(van der Waals) 물질에서 양자 물질 상태를 일으키는 키타에프(Kitaev) 상호 작용이 존재한다는 사실을 처음 확인했다고 2023년 08월 29일 밝혔다. 키타에프(Kitaev) 모델은 벌집 구조를 가지는 물질에서 나타나는 양자 현상이며, 소수의 2차원 모델 중 하나로, 오류가 없는 양자 컴퓨터를 구현할 수 있는 양자 상태를 가지기 때문에 많은 관심을 받고 있다. 하지만, 벌집 구조가 아닌 삼각 격자 구조를 가진 물질이 양자 상태를 가질 경우, 다양한 양자 현상이 나올 수 있다는 것이 이론적으로 알려지면서 연구팀은 키타에프(Kitaev) 모델을 새로운 삼각 격자에서 구현하는 데 주력했다. 결국, 연구팀은 양자 컴퓨터에 활용할 수 있는 키타에프(Kitaev) 모델을 2차원 자성 반데르발스(van der Waals) 삼각 격자 구조 물질에서 구현 성공한 것이다.

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★ 연구팀은 기존 사용하던 물질 니켈(Ni)을 코발트(Co)로 치환하면 키타에프(Kitaev) 모델이 구현되는 여러 조건을 만족한다는 것을 알게 됐다. 연구팀이 사용한 아이오딘화 코발트(CoI2)는 약 40년 전 합성이 가능하다는 것이 확인됐다. 하지만, 수분에 매우 취약해서 실제 사용에는 어려움이 있었다. 그러나, 자성 물질 연구를 지속해 온 연구팀 덕분에 보다 안정적인 상태에서 이 물질 분석이 가능했다. 연구팀은 이론적으로 밝힌 내용을 증명하기 위해 일본의 중성자 연구 시설(J-PARC)에서 비탄성 중성자 산란 실험과 스핀파 측정을 실시했다. 실험 결과는 미국 연구진과 공동 연구를 통해 분석했다.

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★ 비탄성 중성자 산란 실험은 중성자를 물질에 입사한 후 물질과 중성자 간의 비탄성 충돌을 관측, 물질의 격자 및 스핀 동역학을 측정하는 방법이다. 스핀파는 강자성체나 반강자성체에 외부 자극이나 열이 가해질 때 생기는 스핀 배열의 요동으로, 그 요동 패턴이 마치 파동과 같아 붙은 이름이다. 스핀파의 운동량 에너지 관계를 측정하면, 자성체의 강자성. 반강자성 상호 작용에 대한 구체적인 정보를 얻을 수 있다. 연구팀의 성과는 2차원 삼각 격자에서 키타에프(Kitaev) 모델을 실험적으로 구현한 세계 최초의 결과로, 한·미·일 국제 공동 연구로 양자 물질에서 세계적 성과를 낸 것이라는 것이 과기정통부 설명이다.

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★ 과기정통부 관계자는 "양자 컴퓨터에 활용할 수 있는 키타에프(Kitaev) 모델을 2차원 자성 반데르발스(van der Waals) 삼각 격자 물질에서 구현함으로써 응집 물질 물리 및 양자 정보 분야에서 높은 활용도가 기대된다" 라고 말했다. 박제근 교수는 "연구진이 개척한 자성 반데르발스(van der Waals) 물질 분야에서 양자 얽힘이 중요한 양자 상태를 발견해서 또다시 선도적인 연구 성과를 냈다" 라고 자평했다. 과기정통부 기초연구사업 지원으로 수행한 이번 연구 성과는 국제 학술지 '네이처 피직스'에 게재됐다.

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