무오류 양자컴퓨터 만들 양자 상태, 빛으로 찾아냈다!

국내연구진이 키타예프 양자 스핀 액체의 흔적을 빛을 이용해 발견하는 데 성공했다. 키타예프 양자 스핀 액체는 오류 없는 대용량 양자 컴퓨터를 만들 수 있는 특수 양자 상태지만, 실험적으로는 소재 내에서 명확히 확인된 사례가 드물고, 그 후보 소재 발굴이 계속되고 있다. 빛을 이용해 소재의 키타예프 양자 스핀 액체의 특성을 검출할 수 있는 실험 방법론이 나와 양자 컴퓨터 소재 발굴과 특성 연구에 도움이 될 전망이다.

UNIST 물리학과 손창희 교수팀은 연세대학교 김재훈 교수팀, UNIST 신소재공학과 유정우 교수팀과의 공동 연구를 통해 박막 형태의 코발트기반 산화물에서 키타예프 양자 스핀 액체 상태의 특성인 스핀 요동을 광학적으로 검출하는 데 성공했다고 3일 밝혔다.

키타예프 양자 스핀 액체는 양자 스핀 액체 상태의 특수한 형태다. 양자 스핀 액체 상태에서는 저온에서도 고체 내부의 스핀들이 정렬되지 못한 채, 액체 분자처럼 유동적이고 무질서한 상태를 유지며 요동치는 현상이 나타난다.

공동연구팀은 이 스핀의 요동을 20나노미터(nm) 두께의 박막 형태로 합성된 코발트 기반 산화물에서 검출해 냈다. 기존의 중성자를 이용한 분석법은 덩어리 형태 물질에서는 스핀 요동의 검출이 쉬웠지만, 정작 양자컴퓨터 소자화를 위해 부피를 줄인 박막 상태에서는 신호가 약해 관측이 어려웠다.

[연구그림] 키타예프 양자 스핀 액체 후보 물질인 코발트 산화물의 구조와 온도 등에 따른 스핀 상태를 보여주는 모식도

연구팀은 박막에 빛을 쏘아 생기는 엑시톤 입자를 분석하는 방식으로 이 같은 스핀 요동을 검출했다. 측정된 스핀 요동은 닐 온도(16K, −257.15°C)라는 특정 온도 이상에서도 유지됐는데, 이는 이 스핀 요동이 단순히 열이 아닌 양자 스핀 액체 상태로 인해 발생했다는 증거다. 또 이론 계산 등을 통해 강한 키타예프 상호작용을 확인했다. 키타예프 상호작용은 일반적 양자 스핀 액체가 아닌 키타예프 양자 스핀 액체에서 주로 발견된다.

손창희 교수는 “이번 연구로 박막상태의 코발트 기반 산화물에서도 키타예프 양자 스핀 액체의 특성이 나타난다는 사실을 밝혔다”며 “또 실험에서 사용한 분석법은 양자컴퓨터 소재 개발에 도움이 될 것”이라고 설명했다.

이번 연구는 UNIST 강백준, 최욱삼, 노승현 연구원과 연세대학교 정택선 연구원이 공동 제1저자로 참여했다.

연구 결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature communications)에 2월 3일 온라인 게재됐다. 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.