과학기술정보통신부(이하 ‘과기정통부’)는 임현식 동국대학교 교수 공동연구팀이 극저온 실리콘 금속에서 스핀구름의 응축 현상을 통해 새로운 양자 물질을 발견하고 규명했다고 밝혔다. 한양대 물리학과 김은규·신상진 교수와 정연욱 성균관대 나노기술과학과 교수가 공동으로 수행한 이번 연구 성과는 국제학술지 「네이처 피직스(Nature Physics)」에 2월 7일(현지 시간, 2월 6일) 게재됐다. 

스핀구름이란 금속이나 반도체 내에 자성을 가리기 위해 형성된 자유 전자를 말하며, 콘도구름이라고도 부른다. 이것은 자기부상열차나 자기공명영상장치(MRI) 등에 활용할 수 있는 고온 초전도 현상에서 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 

연구팀은 양자컴퓨터 소자관련 연구를 하던 중 우연히 실리콘 금속에서 그동안 학계에 보고되지 않은 특이한 신호를 발견하였고, 이를 소자나 측정기기의 오류가 아닌 새로운 양자역학적 물질이라 생각하여 연구를 시작했다. 스핀구름에 관한 연구는 극저온에서 측정해야 하는 제약 등 여러 실험적 어려움과 해석의 한계로 인해 선행 연구가 극히 적었지만, 연구팀은 포기하지 않고 2015년부터 수년간 연구를 지속해왔다.그 결과, 실리콘 금속에서 관측된 것은 물질의 상(相) 중 고체, 액체, 기체, 플라스마(Plasma)에 이어 1990년대에 발견된 ‘보스·아인슈타인 응축’ 상태 특성을 갖는 새로운 물질임을 분광학 및 전기 전도도 측정을 통해 밝혀냈다. 실리콘 금속을 이용하여 극저온(1[K], -272.15[℃])에서 스핀 구름을 응축하면 새로운 양자 물질이 존재할 수 있음을 세계 최초로 발견하고 규명하는 데 성공한 것이다.

임현식 교수는 “이번 연구를 통해 또 다른 양자 응축상태를 생성하고 제어할 수 있다면 양자 소자 기술에 적용 가능할 것으로 기대된다.”라며 “후속 연구를 통해 순수 금속에서 스핀 구름의 농도 변화에 대한 다양한 스핀 구름의 물성을 이해하는 것이 중요하다.” 라고 밝혔다.