기초과학연구원(IBS)이 서강대, 연세대, 고등과학원(KIAS)과 함께 자성을 띤 2차원 물질에서 독특한 신호를 발견했다. 연구팀은 이 신호가 전자 1개가 여러 원자에 존재하는 새로운 엑시톤임을 밝혀냈다.

새로 발견한 엑시톤은 슈뢰딩거의 고양이처럼 하나의 전자가 여러 원자 사이에 얽힌 상태로 존재한다. 이는 이론적으로도 예측된 적이 없는 새로운 양자 현상이다.

연구를 주도한 박제근 교수는 "2차원 물질에서는 특이 양자 상태가 매우 드물다"며 "자성 반데르발스 물질 분야에서 한국 연구진이 선도적인 연구 성과를 내 분야를 주도했다는 점에서 의미가 크다"고 밝혔다.

◇ 당황하지 말자

7월을 뜨겁게 달군 과학 뉴스 중 하나다. 기초과학연구원이 주도한 이번 연구는 세계적 학술지 '네이처(Nature)'에 게재되는 등 국제으로 큰 관심을 받고 있다.

위의 기사를 읽고 무슨 말인지 하나도 이해가 안 된다면 오히려 잘됐다. 지금부터 이 뉴스가 왜 중요한지 천천히 알아보자.

◇ 엑시톤과 반데르발스 결합


엑시톤은 2차원 신소재에서 전자와 양공이 짝을 이루는 상태다. 음(-)전기를 띠는 전자가 빠져나가면 그 자리는 상대적으로 양(+)전기를 띠는 구멍이 생긴다. 이를 양공이라 부른다. 엑시톤이 중요한 이유는 차세대 IT 기술인 양자 정보통신에서 통신의 매개 역할을 하는 빛을 내뿜기 때문이다.

분자 사이에는 서로를 끌어당기는 '반데르발스 힘'이 존재한다. 네덜란드의 과학자 반데르발스가 처음 발견해 이와 같은 이름이 붙었다. 이 힘으로 결합한 상태를 반데르발스 결합이라고 한다. 반데르발스 결합으로 이뤄진 물질은 얇은 원자층으로 분리할 수 있는 것이 특징이다.

◇ 새로운 양자 상태가 중요한 이유는?


연구진은 엑시톤 구조 중 반데르발스 결합을 이루고 있는 삼화황인니켈(2차원 자성물질)에서 결맞음성이 강한 엑시톤 신호를 확인하고, 데이터를 계산해 이 엑시톤이 양자 다체 상태임을 밝혀냈다.

양자 자성 다체 엑시톤이란 말 그대로, 전자와 양공이 짝을 이뤄 움직이는 엑시톤이 자성을 띠는 현상이다.

연구진이 발견한 엑시톤은 일반 엑시톤보다 결맞음성이 수백 배 높은 광자를 배출했다. 결맞음은 파장의 주파수와 파형이 일치해 간섭 현상을 보이게 하는 성질이다. 조금 어렵다면 지난 기사([양자역학이해하기] 고양이로 알아보는 '결어긋남 현상')를 확인해보자.


결맞음성이 높은 광자를 방출한다는 것은 얽힌 상태의 광자를 만들어 양자 정보통신에 적용하기 좋다는 뜻이다. 이번 연구 결과가 고무적인 이유는 새로운 양자 상태 발견을 넘어 양자 정보통신, 양자 컴퓨팅 등 미래 핵심 기술에 사용될 가능성이 높은 새로운 물리현상이라는 점이다.

차진희 기자 postmoneynews@gmail.com