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▲  아이오딘화 코발트(CoI2)의 구조 및 삼각격자에서의 키타에프 모델 도식. 박제근 서울대 교수의 설명에 따르면, 삼각격자에 키타에프 모델을 구현한 이 물질은, 인접한 코발트 이온끼리 인접한 결합을 이루며 각 결합의 종류(빨강, 파랑, 초록 선)에 따라서 수직한 방향으로 스핀을 서게 한다. 이러한 서로 수직한 방향으로 스핀을 서게 하려는 상호작용이 물질에 복잡한 양자 상태를 구현하게 한다.
ⓒ 박제근 서울대학교 교수	관련사진보기

 
서울대학교 박제근 교수 연구팀과 이화여자대학교 김성진 교수 연구팀이 삼각격자 구조 자성 반데르발스 물질에서 새로운 양자상태 발견에 세계 최초로 성공했다.

과학기술정보통신부(장관 이종호, 아래 과기정통부)는 29일 보도자료를 통해 이같이 밝히면서 과기정통부 기초연구사업(리더연구) 지원으로 수행한 이번 연구 성과는 물리 분야 세계 최고 권위 국제학술지 <네이처 피직스(Nature Physics)>에 8월 29일(현지시각 28일 오후 4시) 게재됐다"고 알렸다. 논문명은 'Bond-dependent anisotropy and magnon decay in cobalt-based Ktiaev triangular antiferromagnet'. 

과기정통부는 "키타에프(Kitaev model) 모델은 벌집 구조를 가지는 물질에서 나타나는 양자 현상으로, 오류가 없는 양자컴퓨터를 구현할 수 있는 양자상태를 가지기 때문에 세계적으로 많은 관심을 받고 있다"면서 "그동안 국내·외 많은 연구자들은 벌집 구조 물질를 이용해 키타에프 모델을 구현하는 데에 그쳤다"고 배경 설명을 했다. 

이어 "벌집 구조가 아닌 삼각격자 구조를 가진 물질이 양자상태를 가질 경우 다양한 양자 현상이 나올 수 있다는 것은 이론적으로만 알려져 있을 뿐 실제 물질에서 구현된 적은 없었다"면서 "연구팀은 자성 물질에 대해 연구하던 중 기존에 사용하고 있던 물질 니켈(원소기호: Ni)을 코발트(원소기호: Co)로 치환할 경우 키타에프 모델이 구현되는 여러 가지 조건을 만족한다는 것을 알게 됐다"고 성과를 소개했다. 

또한 "연구팀이 사용한 아이오딘화 코발트(CoI2)는 약 40년 전에 합성이 가능하다는 것이 밝혀졌지만, 수분에 매우 취약해 이에 대한 연구는 많지 않아 이 물질을 사용하는 데 어려움이 있었다"면서 "이러한 어려움에도 불구하고 연구팀은 자성물질에 대한 연구를 지속해왔기 때문에, 이 물질을 보다 안정적인 상태에서 분석하는 것이 가능했다"고 강조했다. 
 

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▲  아이오딘화 코발트의 자성 상전이 위의 들뜸. 박제근 서울대 교수에 따르면, 비탄성 중성자 산란 실험으로 측정한 CoI2의 자성 상전이 위 (13 K)에서 측정한 스핀 동역학. 실제 실험 결과를 일반적인 등방성 모델과 키타에프 상호작용이 우세한 모델과 비교 하였을 때 키타에프 상호작용이 우세한 모델이 실제 결과를 잘 설명함을 확인했다.
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우리나라 연구팀이 이론적으로 밝혀낸 것을 실험적으로 증명하기 위해 일본 J-PARC(Japan-Proton Accelerator Research Complex) 중성자 시설을 이용해 비탄성 중성자 산란실험과 스핀파 측정을 실시했고, 실험 결과는 미국 연구진과 공동연구를 통해 분석했다고 한다. 

이는 2차원 삼각격자에서 키타에프 모델을 실험적으로 구현한 세계 최초의 결과이며, 한·미·일 국제 공동연구를 통해 양자물질에서 세계적인 연구성과를 달성한 것. 연구팀의 연구성과는 양자 컴퓨터에 활용할 수 있는 키타에프 모델을 2차원 자성 반데르발스 삼각격자 물질에서 구현함으로써 응집물질물리 및 양자 정보 분야에서 향후 높은 활용도를 기대하고 있다. 

박제근 서울대 교수는 이번 연구의 의미에 대해 "2차원 물질에서 양자 얽힘이 있는 양자상태를 발견하는 것은 매우 중요하다"면서 "우리 연구진이 개척해서 세계적으로 중요한 연구 분야로 자리매김한 자성 반데르발스 물질 분야에서 양자 얽힘이 중요한 양자상태를 발견하여 또다시 선도적인 연구 성과를 내서 이 분야를 주도했다"라고 말했다.