서울대학교 자연대 물리천문학부 박제근 교수 연구진은 연세대 김재훈 교수 연구진과 자성을 띈 새로운 2차원 물질(니켈 다이아이오다이드, 이하 NiI2)에서 양자 얽힘 현상을 발견하고, 세계적인 재료학술지인 어드밴스드 머티리얼스에 발표하였다.
박제근 교수는 이런 양자얽힌 상태에서 결맞음성이 높은 엑시톤을 발견하였다. 엑시톤은 자유전자와 양공이 전기적 결합으로 묶여 있는 준입자로, 광자를 방출하는 양자상태이기 때문에 양자광원이 필요한 양자정보통신에 중요한 요소로 거론된다.
NiI2는 자성과 강유전성을 동시에 가지는 다중강성 물질로서 얇은 2차원 층으로 분리될 수 있는 자성 반데르발스 물질이다.
연구진은 광흡수, 공명 비탄성 X선 산란 실험을 통해 NiI2에서 자성과 강유전성과 관련된 엑시톤을 관측하였다.
박제근 교수 연구진은 양자역학적 다체 이론으로 엑시톤 실험결과를 설명하고, 이번에 발견한 엑시톤이 양자다체상태임을 알 수 있었다.
이번 발견은 2차원 자성 반데르발스 물질인 NiPS3(삼황화린니켈)에 이어 두 번째‘양자 자성 다체 엑시톤’의 발견으로, 양자 얽힌 엑시톤을 연구할 수 있는 2차원 자성 물질의 저변을 넓혔다.
박제근 교수 연구진은 NiPS3(삼황화린니켈)에서의‘양자 자성 다체 엑시톤’을 세계 최초로 발견하여 2020년 세계적 학술지 네이처誌에 게재한 바 있다. 이번에는 또 다른 자성 반데르발스 물질인 NiI2(니켈 다이아이오다이드)에서 두 번째 양자 얽힌 엑시톤 발견으로 박제근 교수 연구진이 이 분야에서 선도적인 위치에 있다는 것을 증명하였다.
NiI2는 NiPS3와‘양자 자성 다체 엑시톤’을 가지고 있다는 점에서 공통점을 갖는다. 하지만 NiPS3와 달리 니켈 이온이 삼각 격자를 이루고 있으며, NiPS3보다 복잡한 자성 구조를 가지면서 그와 동시에 강유전성을 띤다는 특징이 있다. 따라서 NiI2의 엑시톤은 NiPS3의 엑시톤과 다른 메커니즘으로 작동한다.
박제근 교수는“이번 발견은 양자과학기술에서 핵심적인 양자얽힌 양자물질이 지금까지 알려진 것보다 훨씬 더 광범위하게 있음을 보였다”며 연구 의미를 설명하였다. 이번 NiI2의 자성과 강유전성이 양자 얽힌 엑시톤 발견은 양자정보기술에 응용될 수 있을 것으로 예상된다.