차세대 양자 컴퓨팅의 핵심 소재로 주목받는 양자 스핀 액체가 코발트 기반 벌집 구조 산화물에서 구현 가능하다는 연구 결과가 나왔다.
물리학과 손창희 교수와 강원대학교(총장 정재연) 반도체 물리학과 김흥식 교수 공동연구팀은 코발트 기반 벌집구조 산화물에서 양자 요동을 증가시키는 데 성공했다. 양자 스핀 액체 구현 가능성을 세계 최초로 확인한 것이다.
그림1. 양자 스핀 액체 상태 후보물질의 박막 이종구조 엔지니어링 모식도
일반 자석은 온도가 낮아지면 전자의 스핀이 정렬된다. 물이 얼음으로 변하는 것과 비슷하다. 그러나 양자 스핀 액체는 극저온에서도 스핀이 정렬되지 않고 액체 상태를 유지한다. 이 새로운 물질 상태는 초고속 양자 컴퓨터와 혁신적 통신 기술 개발을 촉진할 수 있다.
그림2. 응력 제어된 Cu3Co2SbO6의 자기 바닥 상태
연구팀은 코발트 기반 벌집 구조 산화물을 얇은 박막으로 제작해 결정 구조의 변형을 성공적으로 제어했다. 양자 요동을 증가시켜 스핀 정렬 온도를 절반 이하로 낮췄다. 격자 뒤틀림 제어가 양자 요동을 증가시키는 핵심 변수임을 입증한 것이다.
1973년 노벨 물리학상 수상자인 필립 앤더슨 교수는 양자 스핀 액체의 존재 가능성을 제안했으나, 구현하기 쉽지 않았다. 대부분의 양자 스핀 후보물질은 강한 양자 요동이 없어 스핀 정렬을 억제하기 어려웠기 때문이다.
손창희 교수는 “이번 연구로 박막 구조가 양자 스핀 액체 후보 물질의 스핀 상호작용을 효과적으로 조절할 수 있음을 밝혔다”며 “양자 스핀 액체가 박막 형태로 구현된다면 양자 오류 정정이 필요 없는 위상 양자 컴퓨터 구현이 가능할 수 있다”고 설명했다.
이번 연구 결과는 Science Advances에 2024년 7월 5일 온라인 게재됐다. 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단, 포항가속기연구소의 지원을 받아 수행됐다.
