대구경북과학기술원(DGIST·디지스트)은 화학물리학과 김영욱 교수 연구팀이 카이스트(KAIST) 조길영 교수 연구팀과의 공동으로 비틀린 그래핀 구조에서 전자가 완전히 새로운 방식으로 움직이는 양자 상태를 발견했다고 8일 밝혔다.
이러한 독특한 전자 상태는 더 효율적이고 빠른 전자 기기를 개발하거나 복잡한 계산을 처리할 수 있는 양자 메모리와 같은 기술에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
양자 물리학은 자연에서 원자와 입자가 어떻게 상호작용하고 움직이는지를 설명하는 중요한 이론이다. 이를 이해하면 우리가 미시적 수준에서 자연을 제어하거나 이를 활용한 새로운 기술을 설계할 수 있는 기반을 제공한다. 특히 이번 연구는 기존의 반도체 기술로는 구현하기 어려운 양자 상태를 밝혀내면서 양자 기술의 미래 가능성을 크게 확장했다는 점에서 큰 의미를 가진다.
그래핀은 탄소 원자로 이루어진 종잇장처럼 얇은 물질이다. 이번 연구에서는 그래핀 두 겹을 살짝 비틀어 겹친 독특한 구조를 활용해 새로운 양자 상태를 관찰했다. 투명한 필름 두 장에 비유하면 각각의 필름 위에 규칙적인 무늬가 그려져 있고 이 필름을 조금 돌리면 무늬들이 겹쳐 새로운 패턴이 나타나는 것과 같은 원리다.
연구팀은 새로운 패턴이 전자들의 움직임에 전혀 다른 규칙을 만들어내며 층 사이에서 전자가 다른 층으로 넘어가지 못하도록 막아주는 동시에 전자들 간의 강한 상호작용(쿨롱 상호작용)이 발생한다는 사실을 밝혀냈다.
특히 연구팀은 이 상태에서 ‘1/3 분수 양자 홀 상태’라는 새로운 전자 상태를 발견했다. 이는 전자들이 세 부분으로 나뉘어 움직이는 듯한 독특한 모습으로 기존의 전자 움직임과는 전혀 다른 양상을 보인다. 이 상태는 층간 전자가 서로 밀고 당기며 강력한 상호작용을 하는 과정에서 나타나며 이를 몬테카를로 시뮬레이션(수많은 가상 실험을 무작위로 반복해 결과를 예측하고 분석하는 계산 방법)을 통해 이론적으로 증명했다.
카이스트 조길영 교수는 “새로운 소재에서의 분수 양자 홀 상태의 발견은 양자 컴퓨터 기술 개발에 중요한 기여를 할 수 있다”고 말했다.
디지스트 김영욱 교수는 “이번 연구는 일본 NIMS와 독일 막스플랑크 연구소와의 긴밀한 협력의 결과물로 특히 막스플랑크 연구소의 고자기장 실험 장치를 활용해 핵심 데이터를 얻었고 국제 공동 연구를 통해 새로운 가능성을 열었다”며 “앞으로 자기장이 없는 환경에서도 유사한 상태를 구현하는 연구를 지속해 나갈 계획”이라고 말했다.
한편 이번 연구는 디지스트 김도훈·포스텍 진세영 박사과정생의 주도로 이뤄졌으며 네이처 커뮤니케이션즈에 게재됐다. 한국연구재단, 삼성미래기술육성재단, 기초과학연구원의 지원을 받아 수행됐다.
대구=최일영 기자 mc102@kmib.co.kr
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