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  韓 연구진, ‘양자정보통신’ 실현 위한 실마리 풀어… 네이처 발표
  글쓴이 : 온랑진     날짜 : 20-07-21 02:14     조회 : 4309    
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IBS·서강대·연세대·KIAS 공동 연구팀 "양자정보 혁명 기대"
양자정보통신 핵심 매개체 ‘엑시톤’ 새로운 현상 첫 발견

왼쪽부터 박제근 IBS 전 부연구단장, 정현식 서강대 교수, 김재훈 연세대 교수, 손영우 KIAS 교수./IBS 제공
국내 연구진이 양자정보통신의 전달 수단으로 주목받는 ‘엑시톤’의 새로운 현상을 발견, 관련 연구를 위한 토대를 마련했다.

박제근 기초과학연구원(IBS) 강상관계물질연구단 전 부연구단장 연구팀은 정현식 서강대 교수·김재훈 연세대 교수·손영우 고등과학원(KIAS) 교수 등과 함께 2차원 물질에서 전자 1개가 여러 원자에 나뉘어 존재하는 새로운 양자 상태를 발견했다고 21일 밝혔다. 연구결과는 이날 국제 학술지 네이처에 게재됐다.

양자정보통신은 빛을 이루는 최소 단위 입자인 ‘광자’의 양자역학적 성질(스핀)을 이용해 정보를 처리하는 차세대 정보통신기술(ICT)이다. 광자 1개로 1비트(bit)를 구현하기 때문에 통신기기의 소형화·저전력화를 가능하게 할 것으로 기대되고 있다.

학계는 양자정보통신을 매개할 광자를 내뿜는 ‘엑시톤’에 대한 연구에 집중하고 있다. 엑시톤은 전자와 양공(陽孔)을 합쳐서 부르는 말이다. 음(-) 전기를 띠는 전자가 움직이면 전자의 원래 위치에는 상대적으로 양(+) 전기를 띠는 구멍이 생기는데, 이 구멍을 양공이라 한다. 전자와 양공이 결합하면 광자가 발생한다.

엑시톤은 그래핀 같은 2차원 물질에서 자주 발견된다. 연구팀은 2차원 물질의 한 종류인 ‘삼황화인니켈’에서 전자 하나가 여러 양공과 동시에 결합해있는 새로운 양자역학 현상을 발견했다. 서로 다른 여러 실험과 계산을 통해 엑시톤의 에너지값을 매우 높은 정확도로 얻을 수 있다는 의미다. 실제로 연구팀은 엑시톤의 에너지값이 1.5전자볼트(eV)라는 사실을 알아냈다.

이번 발견을 시작으로 이같이 새로운 형태의 엑시톤을 계속 연구함으로써 엑시톤의 특성들을 구체적으로 규명하면 양자정보통신으로의 응용까지 가능할 것으로 기대된다.

연구팀은 "엑시톤을 양자컴퓨터에 활용하기 위한 후속 연구를 통해 양자정보통신 혁명을 앞당길 것"이라고 밝혔다.

2차원 물질 삼황화인니켈의 구조./IBS 제공

[김윤수 기자 kysme@chosunbiz.com]




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2차원 자성 물질서 '양자 자성 다체 엑시톤' 확인[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 전자 1개가 여러 원자에 존재하는 새로운 양자상태를 발견했다.

기초과학연구원(IBS)은 박제근 前 강상관계 물질 연구단 부연구단장팀이 자성을 띤 2차원 물질에서 독특한 신호를 발견하고, 이 신호가 전자 1개가 여러 원자에 나눠 존재하는 양자다체상태의 새로운 엑시톤 임을 알아냈다고 21일 밝혔다.

덩치삼황화린니켈의 결정 구조.<자료=기초과학연구원>
엑시톤은 자유전자와 전자가 빠진 빈자리인 양공으로 이뤄진 입자이다. 광자를 방출하는 양자상태이기 때문에 양자광원이 필요한 양자정보통신에 중요한 열쇠로 거론된다.

이번에 발견한 새로운 엑시톤은 삶과 죽음이 중첩돼 존재하는 슈뢰딩거의 고양이처럼 전자 1개가 여러 원자에 나눠 존재한다. 이 엑시톤은 이론적으로 예측된 적이 없는 새로운 양자현상이다.

연구팀은 2차원 자성물질인 삼황화린니켈에서 파장 여러 개의 주파수와 파형이 일치하는 결맞음성이 강한 엑시톤 신호를 3개 실험으로 확인했다. 이어 신호 데이터를 계산해 이번에 발견한 엑시톤이 양자다체상태임을 규명했다.

2차원 물질은 1차원이나 3차원에서 나타나지 않는 전자 상호작용으로 독특한 물리적 특성을 갖는다. 이번 실험에 사용된 삼황화린니켈은 자성을 지니면서 얇은 2차원 층으로 분리되는 반데르발스 물질 중 하나다.

반데르발스 물질은 층 사이가 반데르발스 결합으로 불리는 약한 전기적 인력으로 묶여져 얇은 원자층으로 분리할 수 있는 물질을 의미한다.

연구팀은 물질에 흡수된 뒤 다시 방출되는 빛을 측정하는 광방출 실험을 통해 2차원 삼황화린니켈에서 결맞음이 강한 빛 신호를 발견했다. 이후 빛의 운동량과 에너지 분산관계를 측정하는 실험을 수행하고, 고체 내 다른 원자들과의 상호작용을 고려한 양자역학적 이론인 다체 이론으로 이 엑시톤 자료를 설명했다.

연구팀은 양자 다체 자성 엑시톤이 근본적으로 새로운 양자상태로, 2차원 물질 양자현상 연구에 기여해 양자정보기술 혁명을 앞당길 것으로 기대했다.

박제근 前부연구단장은 “2차원 물질에서는 특이 양자상태가 드물다”며 “연구진이 개척해서 중요한 연구 분야로 자리매김한 자성 반데르발스 물질 분야에서 다시 선도적인 연구 성과를 내서 이 분야를 주도했다”고 말했다.

연구 성과는 국제 학술지 ‘네이처(Nature)’에 21일 0시(한국시간)에 게재됐다.

강민구 (science1@edaily.co.kr)

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