상온에서도 대규모 양자 얽힘 현상을 구현할 수 있는 양자 소재 후보 물질이 나왔다.
한국원자력연구원은 첨단양자소재연구실 김재욱 박사 등 국제 연구팀이 터븀인듐산화물(TbInO₃)이 양자컴퓨터 소자 등에 쓰일 수 있는 양자스핀액상(QSL, Quantum Spin Liquid) 물질이 될 수 있음을 실험적으로 증명했다고 23일 밝혔다. 이 연구 결과는 학술지 '네이처 피직스(Nature Physics)'에 8월 17일 게재됐다.

연구진은 레이저로 녹여 구조가 고른 단결정을 제조하는 레이저 부유 용융로를 사용해 고품질의 TbInO₃ 단결정을 합성했다. 이후 테라헤르츠 전자기파를 물질에 쪼여 광학전도도를 측정하는 분광실험을 수행했다.

그 결과, 특정 영역에서 광학전도도가 정확히 주파수 제곱에 비례함을 실험적으로 입증했다. 특히 영상 27℃ 수준의 실온에서도 광학전도도 비례 현상이 나타났다. 이는 TbInO₃가 상온에서도 QSL 특성을 구현할 수 있음을 실제 확인한 최초 사례다.

이제까지 많은 QSL 후보 물질에 대한 검증이 이뤄졌지만, 불순물이나 무질서한 물질 구성 등으로 인해 광학전도도-주파수 제곱 비례 현상을 실험적으로 확인할 수 없었다. 이런 가운데 공동 연구진은 최초로 QSL 후보 물질 중 하나인 터븀인듐산화물(TbInO₃) 단결정에서 이를 실험적으로 확인했다.

이번 연구는 양자역학적 현상을 측정하고 분석할 수 있는 하나로 중성자산란시설 및 100 MeV 양성자가속기 등 원자력연이 보유한 대형 양자빔 연구시설을 활용했다. 2021년부터 양자소재 개발 연구를 수행해 QSL을 비롯해 반데르발스 층상소재, 양자자성체 등 50여건 이상의 양자 자성 소재를 합성하고 국내외 공동 연구를 진행하고 있다.

서지원 기자 jiwon401@ggilbo.com