양자스핀액체(quantum spin liquids)로 불리는 새로운 상태의 물질이 실제로 존재하는 것으로 확인됐다. 이 상태의 물질이 존재할 것이란 예상이 나온 지 40년 만의 일이다. 이 물질은 그동안 자연을 구성하는 최소단위로 알려진 전자를 쪼개는 것으로 드러났다.

네이처머리티얼즈는 4일(현지시간) 양자스핀액체로 불리는 새로운 상태의 물질이 현실세계에서 존재하는 것을 확인했다는 내용의 논문을 게재했다.

또한 양자스핀액체에 의해 쪼개진 전자 입자 `마요라나 페르미온(Majorana fermions)`은 엄청나게 빠른 속도의 양자 컴퓨터를 만들 수 있게 해 줄 것으로 기대를 모으고 있다.물리학자들은 마요라나 페르미온을 그래핀과 유사한 구조를 가진 2차원 물질에서 처음 발견했다.

양자스핀액체는 특정자기물질에 숨어있는 것으로 여겨지는 신비한 물질 상태로서 지금까지는 발견되지 않았다.

이 액체의 가장 흥미로운 특성 가운데 하나인 전자 분할(fractionalization)을 실제 물질에서 관찰한 것은 엄청난 발견으로 꼽힌다. 이 결과 나온 마요라나 페르미온이라는 조각은 양자컴퓨터를 전통적인 컴퓨터보다 빠르게 작동하도록 만들 수 있다.

공동저자인 케임브릿지 캐빈디시연구소 조하네스 크놀 박사는 “이는 예상돼 왔던 것이지만 볼 수 없었던 새로운 양자상태의 물질이다”라고 말했다.

일반적으로 자성물질에서는 각각의 전자가 작은 막대자석처럼 움직인다. 그리고 물질이 충분히 낮은 온도로 냉각되면 자석들은 스스로 정렬하게 된다. 이 때 모든 자석은 똑같이 자북(磁北)을 가리키게 된다.

하지만 스핀액체상태를 함유하고 있는 물질에서는 이들이 절대영도로 냉각되더라도 양자요동으로 인해 막대자석이 나란히 정렬되지 않고 얼키설키 얽힌 수프형태를 띠게 된다,.

이들 실험결과는 그동안 예상됐던 양자스핀액체형태의 상태의 속성인 스핀상태 전자분할의 증거를 제시해 주었다.

드미트리 코브리친 공동저자는 “최근까지도 우리는 양자스핀액체가 어떻게 보일지에 대해 전혀 알지 못했다”고 말했다.

공동저자 크놀과 코브리친은 염화루테늄(RuCl3 )의 결정에서 실험을 통한 전자분할의 증거를 찾기 위해 중성자산란기술을 사용했다.

연구진들은 염화루테늄을 중성자로 조사(照射)하고, 중성자가 스크린에 만들어낸 물결 패턴을 관찰함으로써 염화루테늄의 자기적 속성을 테스트했다.

일반적으로 자석은 뚜렷한 날카로운 점(distinct sharp spots)을 만들어 내게 된다. 하지만 양자스핀액체 속의 마요라나 페르미온이 어떤 종류의 패턴을 만들어 낼지는 알 수 없었다.

이번 발견 내용은 양자스핀액체와 전자분할 현상이 2D물질에서 발견된 첫번째 사례다. 또한 크놀과 그의 동료들은 지난 2014년 이론적으로 예상한 내용과 그대로 맞아 떨어졌다.

코브리친은 “양자상태물질 리스트에 또 하나를 추가하게 됐다. 우리의 양자물질에 대한 이해를 위한 중요한 발자국을 내디뎠다. 우리가 이전까지 볼 수 없었던 또다른 새로운 양자상태를 갖는다는 것은 흥미롭다

이는 우리에게 새로운 것을 해 볼 수 있는 새로운 가능성을 제공한다”고 말했다.

이번 실험은 케임브릿지 대학이 주도했다.

이재구 기자 (jklee@nextdaily.co.kr)