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[IT뉴스]연세대 김재훈 교수팀, 2차원 무오류 양자컴퓨팅 소재 후보 물질 발견

온카뱅크관리자

2025-03-03 08:27:27

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> 연세대·UNIST 키타예프 양자 액체 상태 특성 광학적으로 검출 차세대 양자컴퓨터 구현 가능성 열어 네이처 커뮤니케이션즈 논문 게재 
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 [이데일리 김현아 기자] 연세대학교 물리학과 김재훈 교수 연구팀이 2차원 반강자성체 물질에서 키타예프 스핀 액상(Kitaev Spin Liquid)의 특징을 발견하며 차세대 양자컴퓨터 개발 가능성을 열었다. 반강자성체(antiferromagnet) 물질은 전자들의 스핀이 서로 반대 방향으로 배열되는 성질을 가진 물질이다. 즉, 반강자성체에서는 인접한 전자들이 서로 상쇄되는 방향으로 자성을 갖게 돼 전체적인 자화(magnetization)는 0에 가까운 상태로 유지된다.
 해당 연구는 2월 3일 세계적인 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 14.7)’에 발표됐다.
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 <img alt="(왼쪽부터) 연세대 물리학과 김재훈 교수(공동 교신저자), 정택선 연구원(공동 제1저자)" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202503/03/Edaily/20250303082316288gwhr.jpg" data-org-width="600" dmcf-mid="Utg27X5rOf" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img1.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202503/03/Edaily/20250303082316288gwhr.jpg" width="658">
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 (왼쪽부터) 연세대 물리학과 김재훈 교수(공동 교신저자), 정택선 연구원(공동 제1저자)
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 키타예프 스핀 액상과 양자컴퓨터
 
 키타예프 스핀 액상은 러시아 물리학자 알렉세이 키타예프가 처음 제시한 이론적 모델로, 2차원 육각격자 위에서 발현되는 양자 자성 상태다. 
 
 이 상태에서는 전자들의 자성(스핀)이 일정하게 배열되지 않고, 마치 액체처럼 계속해서 요동치는 특징을 가진다. 
 
 특히 이 상태에서는 비가환 애니온(Non-Abelian Anyon)이라는 특이한 입자가 나타날 수 있는데, 이는 위상 양자컴퓨터 구현의 핵심 요소로 주목받고 있다. 
 
 비가환 애니온을 이용하면 무오류(Fault-Tolerant) 양자 연산이 가능해져, 보다 안정적인 차세대 양자컴퓨터 개발이 가능해진다.
 
 그러나 지금까지 키타예프 스핀 액상을 완벽하게 구현한 물질은 아직 확실히 인정된 바 없으며, α-RuCl₃, Na₂IrO₃ 등 일부 후보 물질을 중심으로 연구가 진행되고 있다.
 
 Cu11Co10SbO14 물질에서 키타예프 스핀 액상 특성 발견
 
 김재훈 교수팀은 코발트 기반 육각격자 구조의 Cu11Co10SbO14 물질을 제작하는 데 성공하고, 이 물질에서 키타예프 스핀 액상의 주요 특징을 관측했다.
 
 Cu10Co10SbO14는 본래 합성이 어려운 물질이지만, 연구팀은 기판과의 이질 구조(Heterostructure Epitaxy) 기술을 활용해 단결정 박막을 제작했다. 이를 통해 자기 감수율 측정 및 엑시톤(Exciton)의 외부 자기장에 따른 변화를 관측했다.
 
 이 연구에서 발견된 주요 특성은 다음과 같다:
 
 스핀들이 특정 방향으로 쉽게 배열되지 못하고 서로 얽혀 제자리에서 쩔쩔매는 듯한 특성(Frustrated Spin)이 나타났다.
 
 엑시톤과 상호작용하는 과정에서 결합 방향과 빛의 편광 방향에 따라 달라지는 비등방적 반응이 관측됐다.
 
 단거리 스핀 상관관계가 Neel 전이온도의 두 배 이상의 온도와 외부 자기장 하에서도 유지되며, Cu11Co10SbO14가 키타예프 스핀 액상 상태를 가질 수 있음을 강하게 시사했다.
 
 이번 연구는 특히, 기존에 주로 연구되던 4d나 5d 전이금속이 아닌, 코발트 기반의 3d 전이금속에서도 키타예프 스핀 액상 상태가 발현될 수 있음을 실험적으로 보여준 점에서 큰 의미가 있다.
 
 김재훈 교수는 “키타예프 스핀 액상은 양자컴퓨팅에 활용될 수 있는 비가환 애니온이 출현할 수 있는 이상적인 물질 상태”라며, “무오류 양자 연산을 구현할 수 있는 새로운 플랫폼이 될 것”이라고 기대감을 표했다.
 
 이번 연구는 연세대 김재훈 교수, 유니스트(UNIST) 손창희 교수, 유정우 교수(이상 공동교신저자), 부산대 옥종목 교수, 박성균 교수, 카이스트(KAIST) 양용수 교수, 울산대 김태헌 교수, 강원대 김흥식 교수 연구진이 공동으로 수행했다. 강백준, 최욱삼, 정택선, 노승현 연구원이 공동 제1저자로 참여했다.
 
 논문 제목은 Optical detection of bond-dependent and frustrated spin in the two-dimensional cobalt-based honeycomb antiferromagnet Cu11Co1010SbO14다.
 
 김현아 (chaos@edaily.co.kr) 
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