연구진이 주목한 키타에프 모델은 벌집 구조를 가지는 물질에서 나타나는 양자 현상이다. 오류가 없는 양자컴퓨터를 구현할 수 있는 양자상태를 가지기 때문에 관심을 받고 있다. 그동안 국내·외 많은 연구자들은 벌집 구조 물질를 이용하여 키타에프 모델을 구현하는 데에 그쳤다.
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연구팀은 자성 물질에 대해 연구하던 중 기존에 사용하고 있던 물질 니켈을 코발트로 바꾸면 키타에프 모델이 구현되는 여러 가지 조건을 만족한다는 것을 알게 됐다.
연구팀이 사용한 아이오딘화 코발트는 약 40년 전에 합성이 가능하다는 것이 밝혀졌지만, 수분에 취약해 이에 대한 연구는 많지 않다. 연구팀은 자성물질 연구를 계속하며 이 물질을 보다 안정적인 상태에서 분석했다.
연구팀은 이론을 실험으로 증명하기 위해 일본 J-PARC 중성자 시설을 이용해 비탄성 중성자 산란실험을 하고, 스핀파를 측정했다. 실험결과는 미국 연구진과 공동연구를 통해 분석했다. 그 결과, 2차원 삼각격자에서 키타에프 모델을 실험적으로 구현했다.
연구 결과는 양자 컴퓨터에 활용할 키타에프 모델을 2차원 자성 반데르발스 삼각격자 물질에서 구현했다는 점에서 의미가 있다. 앞으로 응집물질물리, 양자 정보 분야에서 활용할 수 있다.
박제근 교수는 “2차원 물질에서 양자 얽힘이 있는 양자상태 발견이 중요하다”며 “자성 반데르발스 물질 분야에서 양자 얽힘이 중요한 양자상태를 발견해 이 분야를 주도했다”고 했다.
연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 피직스(Nature Physics)’에 29일 게재됐다.