서울대학교

기초과학연구원(IBS) 강상관계 물질 연구단 박제근 前부연구단장(서울대 물리천문학부 교수)은 서강대(정현식), 연세대(김재훈), 고등과학원(손영우) 등과 함께 자성을 띤 2차원 물질에서 독특한 신호를 발견하고, 이 신호가 전자 1개가 여러 원자에 나뉘어 존재하는 양자다체상태의 새로운 엑시톤 임을 밝혀내었다.

• ○엑시톤은 자유전자와 양공*으로 이루어진 입자로, 광자를 방출하는 양자상태이기 때문에 양자광원**이 필요한 양자정보통신에 중요한 열쇠로 거론된다.
  * 전자가 빠져나간 빈자리, ** 양자상태에 따라 빛(광자)을 내보내는 광원
• ○이번에 발견한 새로운 엑시톤은 삶과 죽음이 중첩되어 존재하는 슈뢰딩거의 고양이*처럼 전자 1개가 여러 원자에 나누어 존재한다. 이 엑시톤은 이론적으로 예측된 적이 없는 새로운 양자현상이다.
  * 양자역학의 불확정성을 빗댄 사고실험. 상자 속 고양이가 죽을 확률이 50%라고 할 때, 상자를 열어 관측하기 전까지 죽은 고양이와 산 고양이가 중첩돼 있다.
• ○과학기술정보통신부(장관 최기영)와 IBS(원장 노도영)는 이번 성과가 세계적 학술지 네이처(Nature, IF 42.778)에 7월 21일 0시(한국시간) 게재되었다고 밝혔다.

연구진은 2차원 자성물질(삼황화린니켈, 이하 NiPS3)에서 결맞음성*이 매우 강한 엑시톤 신호를 서로 다른 세 가지 실험으로 확인하고 이 신호 데이터를 계산하여 이번에 발견한 엑시톤이 양자다체상태임을 규명하였다.

* 결맞음성(coherence) : 파장 여러 개의 주파수와 파형이 일치함을 이른다. 파장이 다양한 자연광보다 단일한 파장을 갖는 레이저가 결맞음성이 높다.

• ○면 형태의 2차원 물질은 1차원이나 3차원에서 나타나지 않는 전자 상호작용으로 독특한 물리적 특성을 갖는다. 이번 실험에 사용된 NiPS₃는 자성을 가지면서 얇은 2차원 층으로 분리되는 반데르발스 물질* 중 하나다.
  * 층 사이가 반데르발스 결합으로 불리는 약한 전기적 인력으로 묶여 있어, 얇은 원자층으로 분리할 수 있는 물질
• ○연구진은 물질에 흡수된 뒤 다시 방출되는 빛을 측정하는 광방출 실험을 통해 2차원 NiPS3에서 결맞음이 강한 빛 신호를 발견했다.
• ○이후 빛의 운동량과 에너지 분산관계를 측정하는 공명 비탄성 X선 산란실험을 수행하고, 고체 내 다른 원자들과의 상호작용을 완벽하게 고려한 양자역학적 이론인 다체 이론으로 이 엑시톤 데이터를 설명하였다.
• ○연구진은 최신 양자역학 기반의 다체 이론을 적용하고 방대한 양의 계산을 수행하였으며, 이를 공명 비탄성 X선 산란실험 결과와 비교하여 이번에 발견한 엑시톤이 양자다체상태임을 알 수 있었다.

양자 다체 자성 엑시톤은 근본적으로 새로운 양자상태로, 2차원 물질 양자현상 연구에 기여해 양자정보기술 혁명을 앞당길 것으로 기대된다.

• ○2차원 물질은 그래핀처럼 층을 쌓아 조립할 수 있어 응용성이 크다. 또 엑시톤에서 발생하는 빛은 양자상태로 정보를 전달하는 양자정보통신으로 확장될 수 있는데, 이 때 엑시톤이 갖는 양자상태를 더 잘 이해하는 것이 중요하다.
• ○이 엑시톤은 에너지 폭이 매우 좁은, 결맞음성이 높은 신호를 보이는데 초전도체, 초유체 등 특이한 물리 현상들도 결맞음성과 관련이 있다. 박제근 前부연구단장은 “2차원 물질에서는 특이 양자상태가 매우 드물다”며 “우리 연구진이 개척해서 중요한 연구 분야로 자리매김한 자성 반데르발스 물질 분야에서 또다시 선도적인 연구 성과를 내서 이 분야를 주도했다.”라고 의미를 밝혔다.