불가능하다던 '양자거리 측정' 밝혀냈다

■IBS 강상관계물질연구단

우수 양자소재 탐색 기대감 커져

기초과학연구원 강상관계물질연구단의 양범정(왼쪽부터) 서울대 물리천문학부 교수와 임준원 책임연구원, 김규 한국원자력연구원 책임연구원.

국내 연구진이 고체 에너지나 스핀 등 양자상태 차이(양자거리)를 측정할 수 있다는 사실을 처음으로 밝혀냈다. 두 양자상태 차이를 통해 정보를 처리하는 양자컴퓨팅 등에서 일어나는 양자정보 손실을 측정하고 특성이 우수한 양자소재 탐색도 가능할 것으로 기대된다.

기초과학연구원(IBS) 강상관계물질연구단의 양범정 서울대 물리천문학부 교수와 임준원 책임연구원, 김규 한국원자력연구원 책임연구원 연구팀은 5일 ‘네이처’에서 측정이 불가능했던 고체의 ‘양자거리’를 측정하는 방법을 최초로 제시했다고 밝혔다.

양자역학적 차이(거리)인 양자거리는 두 양자상태가 비슷하면 거리가 가깝고 두 양자상태가 서로 다를수록 거리가 멀어지는데 양자컴퓨팅에서 신뢰도를 높이는 데 중요한 의미를 지닌다.

양자역학에서 고체 내 전자는 곡률과 양자거리로 나타내는 기하학적 모양의 파동으로 간주하며 양자거리는 파동 구조의 핵심요소지만 지금까지 고체에서 측정할 수 있는 방법이 없었고 물성으로도 나타나지 않아 크게 주목받지 못했다.



연구팀은 ‘평평한 에너지띠’를 갖는 고체에 자기장을 걸 경우 에너지 준위가 변하는 것을 이론적으로 발견하고 이 변화로부터 양자거리를 측정할 수 있다는 것을 증명했다. 평평한 에너지띠는 고체 속 전자가 운동량에 상관없이 일정한 에너지를 갖는 것을 의미한다. 일반적인 고체는 전자의 에너지가 운동량에 크게 의존하는 복잡한 곡선 에너지띠를 갖는다. 연구팀은 “평면 형태의 순환 그래핀과 카고메 격자물질 등 ‘평평한 에너지띠’와 ‘곡선 에너지띠’가 교차하는 물질에 자기장을 걸 때 전자들의 에너지 준위(란다우 준위)가 넓게 퍼지고 이 현상은 에너지띠끼리 교차하는 점에서의 양자상태에 달려 있다”고 설명했다.

자기장하에서 평평한 에너지띠의 란다우 준위 변화(오른쪽)와 자기장이 없을 때의 평평한 에너지띠 구조(왼쪽). 평평한 띠 아래쪽 회색 에너지 영역이 띠틈으로 원래 전자는 이 띠틈에 해당하는 에너지를 가질 수 없다.

전자의 파동함수인 ‘블로흐파’와 양자거리고체 내에서의 전자의 파동함수인 블로흐파의 기하학적 구조. 양자거리를 통해서 두 블로흐파 사이의 양자역학적인 거리가 얼마나 가까운지 또는 먼지 나타낼 수 있다.

연구팀은 고체 전자의 에너지 준위를 관찰해 양자거리를 정확히 측정할 수 있음을 이론적으로 증명, 전자 파동의 기하학적 구조와 관련한 새로운 고체 연구의 장을 열 것으로 기대된다. 제1저자인 임 책임연구원은 “여러 이차원 물질에서 파동함수의 양자거리를 정확히 측정하고 관련 물성을 조절할 수 있다”고 밝혔다. 양 교수는 “양자거리를 측정해 물성을 밝힐 수 있게 됐다. ‘양자거리’ 개념은 양자컴퓨터 후보 소재들을 탐색하는 데 널리 활용될 것”이라고 기대했다.
/고광본선임기자 [e-mail]