UNIST-연세대, 빛으로 키타예프 양자 스핀 액체 흔적 발견
코발트 기반 산화물을 박막형태로 만들어 성공… 부품 개발 가능성 열어
양자 컴퓨터의 기본 단위인 큐비트는 어떤 물리적 시스템으로 구현되느냐에 따라 성능이 크게 달라진다. 현재 상용화가 진행 중인 다양한 큐비트 기술이 존재하지만, 양자 스핀 액체 기반 큐비트는 안정성과 확장성 면에서 차세대 기술로 주목받고 있다. 특히, 키타예프 양자 스핀 액체는 일반적인 양자 스핀 액체보다 더 우수한 특성을 지니고 있다.
우선 연구진은 펄스 레이저 증착법을 활용해 20나노미터 두께의 코발트 기반 산화물 단결정 박막을 만들어냈다. 이 박막에서 스핀 요동을 검출하기 위해 빛을 쏘아 엑시톤을 분석하는 방법을 사용했다. 기존의 중성자를 이용한 분석법은 덩어리 형태의 물질에서는 효과적이지만, 박막 상태에서는 신호가 약해 관측이 어려웠다. 연구진은 이 문제를 해결하기 위해 새로운 접근법을 개발했다.
연구진은 박막에 빛을 쏘아 생기는 엑시톤 입자를 분석해 스핀 요동을 찾아냈다. 이 과정에서 측정된 스핀 요동은 닐 온도인 16K(영하 257.15도) 이상에서도 유지됐으며, 이는 양자 스핀 액체 상태에서 발생한 것임을 입증하는 중요한 증거로 작용했다. 또한, 이론 계산을 통해 강한 키타예프 상호작용이 존재함을 확인했다.
양자 스핀 액체는 저온에서도 고체 내부의 스핀들이 정렬되지 않고 유동적이며 무질서한 상태를 유지하는 특성을 지닌다. 이러한 특성 덕분에 양자 스핀 액체 기반 큐비트는 외부 노이즈에 강한 특성을 보인다. 특히, 키타예프 양자 스핀 액체에서는 마요라나 페르미온이라는 특수한 준입자가 나타나며, 이를 활용하면 더욱 안정적인 위상적 큐비트를 구현할 수 있다.
이번 연구는 양자 스핀 액체의 구현 및 측정을 덩어리 시료에서 박막으로 확장하는 데 의의가 있다. 연구진은 엑시톤과 스핀 요동 사이의 직접적인 상관관계를 검증해, 엑시톤이 스핀 요동을 읽어낼 수 있는 중요한 매개체로 활용될 수 있음을 밝혔다. 이러한 발견은 양자 컴퓨터 큐비트 제작에 기여할 수 있는 가능성을 열어준다.
한편, 연구진은 이번에 키타예프 양자 스핀 액체의 흔적을 빛을 이용해 발견한 것을 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature communications)'에 발표했다.
monarch@fnnews.com 김만기 기자
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