요약
50년 만에 스핀구름 존재가 규명됐습니다. 연구팀은 양자 소자(quantum device)에 흐르는 전류 측정에 기반해 스핀 구름 공간 분포를 관측했는데요. 본 연구 결과는 스핀 구름을 전기적으로 제어해 미해결 자성 문제들을 이해하는 후속 연구로 이어질 뿐 아니라 스핀 구름의 양자 얽힘 특성을 이용하는 차세대 양자정보 소자를 개발하는 일의 바탕이 됩니다.
KAIST 물리학과 심흥선 교수 연구팀(응집상 양자 결맞음 선도연구센터)이 금속과 반도체 안에서 불순물의 자성을 양자역학적으로 가리는 스핀 구름의 존재를 규명해냈습니다. 이는 50년 동안 입증되지 않아 논란이 있던 스핀 구름의 존재를 밝힌 것입니다. 향후 차세대 양자정보 소자 개발 등에 활용할 수 있을 것으로 기대됩니다. 이 연구는 <Nature>에 게재됐습니다.
콘도 효과에서 스핀 구름의 존재는?!
도체나 반도체 내의 잉여 전하는 주위 자유 전자들의 전하 구름 때문에 가려집니다. 이와 근본적으로 원리가 다르지만 도체나 반도체 내 불순물이 스핀을 가질 때 이 스핀은 주위의 자유 전자들에 의해 생성된 스핀 구름에 의해 가려진다고 알려져 있습니다. 콘도 효과(Kondo effect)라고 불리는 이 현상은 충분히 낮은 온도에서 발현되는 양자역학적 현상으로 대표적 자성 현상입니다.
콘도 효과의 여러 특성들은 대부분 규명됐으나 스핀 구름의 존재가 입증되지 않은 채 남아 있었습니다. 지난 50년 동안 다양한 시도들이 꾸준히 있었으나 스핀 구름은 발견되지 않았습니다. 이에 따라 스핀 구름이 실제로 존재하는 것인가에 대한 논쟁이 있었습니다. 스핀 구름이 다양한 자성 현상에서 중요한 역할을 할 것으로 예측됐기 때문에 스핀 구름을 발견하고 제어하는 것은 관련 학계에서 성배를 찾는 것과 같은 정도의 중요성으로 비유됐습니다.
심흥선 교수 연구팀은 일본 이화학연구소와 홍콩성시대학의 연구진들과 공동 연구를 통해 콘도 스핀 구름을 최초로 발견했습니다. 발견한 스핀 구름의 크기는 마이크로미터(10-6 미터)에 달합니다.
연구팀은 스핀 구름을 전기 신호를 이용해 관측하는 방법을 2013년에 선행 연구로 제안한 바 있습니다. 이 선행 연구에서는 전기장을 스핀 구름 내부에 가한 경우와 외부에 가한 경우에 각각 서로 다른 전류가 발생함을 예측했고 이를 이용해 스핀 구름 공간 분포의 관측을 제안했습니다.
심 교수 연구팀의 제안에 따라 일본이화학연구소와 홍콩성시대학의 연구팀은 양자점을 이용했습니다. 반도체에 불순물 스핀을 인위적으로 생성하고 생성된 불순물 주변, 서로 다른 여러 곳에 전기장을 인가할 수 있는 양자 소자를 제작하는 실험을 수행했습니다. 100mK(밀리켈빈)의 낮은 온도에서 관측된 소자의 전기 신호를 심 교수 연구팀에서 분석한 결과, 발견된 스핀 구름의 크기와 공간 분포는 이론 예측과 일치했고 그 크기는 수 마이크로미터(10-6미터)로 확인됐습니다.
심흥선 교수는 "스핀 구름의 존재 입증은 학계의 숙원으로, 이번 연구에서 스핀 구름이 발견된 만큼 스핀 구름에 대한 후속 연구들이 활성화될 것으로 기대된다"며 "스핀 구름을 전기적으로 제어해 미해결 자성 문제들을 이해하는 데에 활용할 수 있을 뿐 아니라 스핀 구름의 양자 얽힘 특성을 기반으로 해 차세대 양자정보 소자를 개발할 수 있다"고 말했습니다.
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