기초과학연구원(IBS) 강상관계 물질 연구단 박제근 前부연구단장(서울대 물리천문학부 교수)은 서강대(정현식), 연세대(김재훈), 고등과학원(손영우) 등과 함께 자성을 띤 2차원 물질에서 독특한 신호를 발견하고, 이 신호가 전자 1개가 여러 원자에 나뉘어 존재하는 양자다체상태의 새로운 엑시톤 임을 밝혀내었다.

엑시톤은 자유전자와 양공^*으로 이루어진 입자로, 광자를 방출하는 양자상태이기 때문에 양자광원^**이 필요한 양자정보통신에 중요한 열쇠로 거론된다.
* 전자가 빠져나간 빈자리,   ** 양자상태에 따라 빛(광자)을 내보내는 광원

이번에 발견한 새로운 엑시톤은 삶과 죽음이 중첩되어 존재하는 슈뢰딩거의 고양이^*처럼 전자 1개가 여러 원자에 나누어 존재한다. 이 엑시톤은 이론적으로 예측된 적이 없는 새로운 양자현상이다.
* 양자역학의 불확정성을 빗댄 사고실험. 상자 속 고양이가 죽을 확률이 50%라고 할 때, 상자를 열어 관측하기 전까지 죽은 고양이와 산 고양이가 중첩돼 있다.

과학기술정보통신부(장관 최기영)와 IBS(원장 노도영)는 이번 성과가 세계적 학술지 네이처(Nature, IF 42.778)에 7월 21일 0시(한국시간) 게재되었다고 밝혔다.

연구진은 2차원 자성물질(삼황화린니켈, 이하 NiPS₃)에서 결맞음성^*이 매우 강한 엑시톤 신호를 서로 다른 세 가지 실험으로 확인하고 이 신호 데이터를 계산하여 이번에 발견한 엑시톤이 양자다체상태임을 규명하였다.
* 결맞음성(coherence) : 파장 여러 개의 주파수와 파형이 일치함을 이른다. 파장이 다양한 자연광보다 단일한 파장을 갖는 레이저가 결맞음성이 높다.

면 형태의 2차원 물질은 1차원이나 3차원에서 나타나지 않는 전자 상호작용으로 독특한 물리적 특성을 갖는다. 이번 실험에 사용된 NiPS₃는 자성을 가지면서 얇은 2차원 층으로 분리되는 반데르발스 물질^* 중 하나다.
* 층 사이가 반데르발스 결합으로 불리는 약한 전기적 인력으로 묶여 있어, 얇은 원자층으로 분리할 수 있는 물질

연구진은 물질에 흡수된 뒤 다시 방출되는 빛을 측정하는 광방출 실험을 통해 2차원 NiPS₃에서 결맞음이 강한 빛 신호를 발견했다.

이후 빛의 운동량과 에너지 분산관계를 측정하는 공명 비탄성 X선 산란실험을 수행하고, 고체 내 다른 원자들과의 상호작용을 완벽하게 고려한 양자역학적 이론인 다체 이론으로 이 엑시톤 데이터를 설명하였다.

연구진은 최신 양자역학 기반의 다체 이론을 적용하고 방대한 양의 계산을 수행하였으며, 이를 공명 비탄성 X선 산란실험 결과와 비교하여 이번에 발견한 엑시톤이 양자다체상태임을 알 수 있었다.

양자 다체 자성 엑시톤은 근본적으로 새로운 양자상태로, 2차원 물질 양자현상 연구에 기여해 양자정보기술 혁명을 앞당길 것으로 기대된다.

2차원 물질은 그래핀처럼 층을 쌓아 조립할 수 있어 응용성이 크다. 또 엑시톤에서 발생하는 빛은 양자상태로 정보를 전달하는 양자정보통신으로 확장될 수 있는데, 이 때 엑시톤이 갖는 양자상태를 더 잘 이해하는 것이 중요하다.

이 엑시톤은 에너지 폭이 매우 좁은, 결맞음성이 높은 신호를 보이는데 초전도체, 초유체 등 특이한 물리 현상들도 결맞음성과 관련이 있다. 박제근 前부연구단장은 “2차원 물질에서는 특이 양자상태가 매우 드물다”며 “우리 연구진이 개척해서 중요한 연구 분야로 자리매김한 자성 반데르발스 물질 분야에서 또다시 선도적인 연구 성과를 내서 이 분야를 주도했다.”라고 의미를 밝혔다.

그림설명

▲ [그림 1] 덩치삼황화린니켈(NiPS₃)의 결정 구조실험에 사용한 2차원 자성 반데르발스 물질. 각 층은 육각형 구조로 이뤄져 있으며, 층간 결합을 이루는 반데르발스 결합은 약해서 쉽게 층을 분리할 수 있다. 강자성과 같이 스핀 방향이 고정돼 있지만, 인접한 스핀끼리 반대방향을 띠어 전체적으로는 자성을 띠지 않는 반강자성 물질이다.

▲ [그림 2] NiPS₃에서 광방출, 광흡수 실험을 통해 얻은 엑시톤 신호(a) 2차원 자성 물질에서 방출된 빛을 측정했더니 특정 에너지를 가진 빛이 강한 것을 발견했다. 이러한 신호는 엑시톤의 증거인데, 기존보다 결맞음이 100배 이상 높은 수준이다. (b) 온도에 따른 신호 폭 그래프. 낮은 온도에서 신호가 매우 좁은 폭으로 분포한다. (c) 광방출 신호의 두께 의존성. (d) 2차원 자성 물질이 흡수한 빛을 측정했다. 이론적으로는 광방출 실험과 광흡수 실험 결과가 같아야 하는데, 광방출 실험에서 관찰했던 신호(피크 1)가 똑같이 나타난다.

▲ [그림 3] NiPS₃에 대한 X선 흡수 스펙트럼과 공명 비탄성 X선 산란 실험, 다체계산(a) X선 흡수 스펙트럼 실험 결과. 857.3eV 와 858.1eV 근처에 가장 높은 신호가 존재한다. 각 신호는 서로 다른 오비탈 배열에서 비롯됐다. (b) 공명 비탄성 X선 산란 실험을 통해 858.1eV 근처에서의 에너지 방출 스펙트럼을 측정했다(검정). 이론값(빨강)과 유사한 분포를 보인다. (c, d) 858.1eV 근처에서의 공명 비탄성 X선 산란 스펙트럼 이론값과 실험값.