기초과학연구원(IBS) 강상관계 물질 연구단 양범정 교수(서울대 물리천문학부)는 임준원 책임연구원, 김규 원자력연 책임연구원과 함께 측정이 불가능했던 고체의 '양자거리'를 측정하는 방법을 세계 최초로 제시했습니다.
양자거리는 두 개의 양자상태를 비교하는 개념으로 목표했던 양자 상태와 실제 양자상태의 차이 즉, 양자통신과정 혹은 양자컴퓨터 연산 과정의 양자 정보 손실을 측정할 수 있을 것으로 기대됩니다.
양자역학에서 고체 내의 전자는 파동으로 간주됩니다. 이 파동은 곡률과 양자거리로 나타내는 기하학적 모양을 가집니다. 양자거리는 파동 구조의 핵심 요소지만 지금까지는 고체에서 양자 거리를 측정할 방법이 없었고 물성으로도 나타나지 않아 크게 주목받지 못했습니다.
연구진은 평평한 에너지띠를 갖는 고체에 자기장을 걸어서 양자거리 측정이 가능하다는 것을 세계에서 처음으로 밝혀냈습니다. 이번 연구는 <Nature>에 게재됐습니다.
- 양자거리
양자상태(에너지, 스핀 등 양자역학적으로 본 입자의 상태)의 정보를 담고 있는 두 파동함수의 유사성을 나타내는 물리량으로, 서로 같을 때 0, 서로 직교할 때 1로 보여집니다.
- 평평한 에너지띠
고체 속 전자가 운동량에 상관없이 일정한 에너지를 가집니다. 일반적인 고체는 전자의 에너지가 운동량에 크게 의존하는 복잡한 곡선 에너지띠를 갖습니다.
양자거리 어떻게 잴까
연구진은 평평한 에너지띠를 갖는 고체에 자기장을 걸면 에너지 준위가 변하는 것을 이론적으로 발견하고, 이 변화로부터 양자거리를 특정할 수 있다는 것을 증명했습니다.
연구진은 평평한 에너지띠와 곡선 에너지띠가 교차하는 물질에 자기장을 걸면 전자들의 에너지 준위(란다우 준위)가 퍼짐을 발견했습니다. 참고로 에너지띠가 교차하는 물질은 전자가 운동량에 따라 여러 에너지를 가져서 평평한 띠와 곡선 띠를 둘 다 가지며 두 띠가 교차하는 고체물질입니다. 평면 형태의 순환 그래핀, 카고메 격자물질 등이 그 예라고 할 수 있습니다.
연구진은 이어 이 에너지 준위 퍼짐은 에너지띠끼리 교차하는 점에서의 양자상태에 달려있음을 밝혔습니다. 양자거리를 결정하는 양자 상태가 실제 물성인 에너지에 영향을 미친 겁니다. 이에 착안해 연구한 결과, 양자거리의 최댓값이 에너지 준위 퍼짐을 결정함을 밝혀냈습니다.
이번 연구는 고체 전자의 에너지 준위를 관찰해 양자거리를 정확히 측정할 수 있음을 이론적으로 증명해서, 전자 파동의 기하학적 구조와 관련한 새로운 고체 연구의 장을 열 것으로 기대됩니다. 임준원 책임연구원은 "여러 이차원 물질에서 파동함수의 양자거리를 정확히 측정하고, 관련 물성을 조절할 수 있다"고 의미를 밝혔습니다.
양범정 교수는 "고체를 양자기하학으로 분석한 기존 연구들은 곡률에 국한돼 있었는데 이번 연구로 양자거리를 측정하여 물성을 밝힐 수 있게 됐다"며 "나아가 양자정보 분야에 쓰일 새로운 재료를 찾는 데 기여할 것"이라고 밝혔습니다. 특히 "순수 이론 분야에서 네이처에 논문을 게재하는 일은 세계적으로 매우 드물다"고 덧붙였습니다.
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