스마트폰 화면 등에 쓰이는 액정(Liquid Crystal)은 액체도 아니고, 고체도 아닌 '뜨거운 아이스아메리카노'와 같은 상태다.

18일 기초과학연구원(IBS)은 원자제어 저차원 전자계 연구단 김범준 부연구단장(포스텍 물리학과 교수) 연구팀이 양자 물질에서 액정과 유사한 물질 상태를 세계 최초로 관측했다고 밝혔다.

대부분의 물질은 고체, 액체, 기체의 세 가지 상태로 존재한다. 액정을 포함한 제4의 상태인 '네마틱'은 액체와 고체의 성질을 동시에 갖는다.

액체처럼 자유롭게 움직이지만, 고체처럼 분자의 배열이 규칙적이다.

네마틱 상태가 양자역학적인 스핀(전자의 각운동량) 계에도 존재할 것이라는 이론적 예측은 반세기 전부터 있었지만, 실제 물질에서 확인한 건 이번이 처음이다.

자석은 스핀이 한 방향으로 정렬된 고체 상태다. 자석에서 스핀은 자석의 N극과 S극 두 개의 극으로 이뤄진 자기 쌍극자를 형성한다.

하지만, 스핀 네마틱은 자성은 없지만 네 개의 극으로 이뤄진 사극자가 정렬된 상태다. 기존에 개발된 중성자 산란 등 대부분의 실험 도구는 쌍극자에만 민감하게 설계돼 스핀 네마틱을 검출하기 어려웠다.

연구팀은 사극자 존재를 빛(X선)을 이용해 직접 확인할 수 있는 새로운 장비를 설계했다. 미국 아르곤연구소와 협업해 공명 비탄성 X선 산란 장비(RIXS)를 4년여에 걸쳐 개발했다.

이후 포항가속기연구소 등 가속기 빔 라인에 개발한 분광기를 구축해 실험을 진행했다.

연구팀은 유력 고온 초전도체 후보물질로 꼽히는 이리듐 산화물(Sr2IrO4)에 X선을 쬐어 스핀의 거동을 관찰했다.

이리듐 산화물은 230K(-43.15℃) 이하 저온에서는 쌍극자와 사극자가 공존했지만, 260K(-13.15℃)의 온도까지는 쌍극자가 사라져도 사극자가 남아있었다.

230∼260K의 온도 범위에 스핀 네마틱 상태로 존재한다는 의미다.

스핀 네마틱 상태의 발견은 물리학자들의 숙원 과제인 스핀 액체 탐색에 도움이 될 수 있다고 연구팀은 설명했다.

연구 논문 공동 저자인 조길영 포스텍 물리학과 교수는 "양자컴퓨터 등 양자 정보 기술에 활용하기 위해 학계에서는 지난 수십 년간 스핀 액체를 찾으려는 노력을 지속해왔다"며 "스핀 네마틱은 스핀 액체와 공통적인 물리적 성질을 가지기 때문에 스핀 액체 탐색의 핵심 단서가 된다"고 설명했다.

나아가 이번 연구는 이리듐 산화물에서 고온 초전도 상이 존재할 가능성을 제시했다는 의미도 있다.

이론적으로 스핀 네마틱 상태도 스핀 액체처럼 스핀 양자 얽힘을 통해 고온 초전도 현상을 나타낼 수 있기 때문이다.

연구팀은 후속 연구에서 이리듐 산화물의 전자 농도를 변화시켜가며 고온 초전도 현상이 나타나는지 조사할 계획이다.

김범준 부연구단장은 "공명 비탄성 X선 산란 장비는 양자 간섭을 통해 스핀 상호작용에 대한 정보를 얻을 수 있어 엑스선 과학 분야에서 지난 10년간 주목받은 기술 중 하나"라며 "이번 연구는 국내 방사광 X선 실험 인프라 및 활용 능력이 세계적인 수준에 도달했기 때문에 가능했다"고 말했다.

연구 결과는 14일 최고 권위의 국제학술지 '네이처'(Nature) 온라인판에 실렸다.

과학팀  press@jeonpa.co.kr

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