그곳은 양자 동물원과 같으며 과학자들은 방금 12개의 새로운 '종'을 발견했습니다.

양자 물질을 설명하는 양자 상태와 수많은 전자가 상호작용할 때 나타나는 기이한 현상은 겉보기에 무한한 수로 존재합니다. 수십 년 동안 이러한 상태의 상당수는 이론적이었습니다. 수학적, 계산적 예측이 실제 물질 속에 숨어 있을 가능성이 있습니다. 많은 과학자들이 동물원이라고 부르듯이, 새로운 "종"이 발견되어 설명되기를 기다리고 있습니다.

4월 3일 Nature 에 발표된 새로운 연구에 따르면, 연구자들은 확장되고 있는 양자 동물원에 12개 이상의 상태를 추가했습니다.

"이러한 상태들 중 일부는 이전에 본 적이 없습니다."라고 컬럼비아 대학교 나노과학 하워드 패밀리 교수이자 이번 연구의 주저자인 샤오양 주(Xiaoyang Zhu)는 말했다. "그리고 이렇게 많은 상태를 볼 줄은 예상하지 못했습니다."

그중에는 현재 이론적으로 위상 양자 컴퓨터(topological quantum computer)로 알려진 것을 생성하는 데 사용될 수 있는 상태들이 있습니다. 위상 양자 컴퓨터는 현재 초전도체 재료로 제작된 양자 컴퓨터의 오류를 발생시키는 오류를 줄일 수 있는 고유한 양자 특성을 가질 것입니다.

그러나 초전도체 재료는 자석에 의해 교란되는데, 이는 지금까지 (아직 구현되지 않은) 차세대 양자 컴퓨터에 필요한 위상 상태를 생성하려는 시도에 사용되어 왔습니다. 주 교수의 연구진은 이 문제를 해결합니다. 그와 그의 팀이 발견한 상태는 모두 외부 자석 없이 생성될 수 있는데, 이는 트위스트 몰리브덴 디텔루라이드(twisted molybdenum ditelluride)라는 재료의 특수한 특성 덕분입니다.

양자 역사의 전당에서

주와 그의 팀이 발견한 몇몇 새로운 상태의 근저에 있는 현상은 홀 효과와 관련이 있을 수 있습니다. 1879년에 발견된 고전적인 홀 효과는 금속판을 통과하는 전자가 자기장에 노출되었을 때 가장자리를 따라 뭉쳐지는 현상을 설명합니다. 자석의 힘이 강할수록 금속을 가로지르는 전압 차이가 커집니다.

전자가 초저온의 2차원 자기장에 노출되면, 양자역학의 효과가 가장 쉽게 관찰되는 곳에서는 전압 변화가 더 이상 자기장에 비례하지 않습니다. 선형적인 증가 대신, "양자화"되어 알려진 가장 작은 전하를 가진 입자인 전자의 전하와 관련된 단계로 점프합니다.

이러한 양자 단계는 더 작은 단계로 분해되어 전자의 전하량의 분수에 해당하는 전하를 갖는 상태를 형성할 수 있습니다. 예를 들어 -1/2, -⅔, -⅓ 등이 있습니다. 이러한 관찰로 컬럼비아 대학교 명예교수인 호스트 스토머는 1998년 노벨 물리학상을 수상했습니다.

스토머는 노벨상 강연에서 이 "분수 양자 홀 효과"는 양자역학의 반직관적인 특성이라고 설명했습니다.

"이는 여러 전자가 협력하여 개별 전자의 전하량보다 작은 전하를 갖는 새로운 입자를 생성할 수 있음을 의미합니다. 이는 세상이 예상하는 바가 아닙니다. 하지만 우리는 이러한 전자들이 조각조각 나뉘지 않았다는 것을 확실히 알고 있습니다."

연구자들은 수십 년 동안 분수 양자 홀 효과를 연구해 왔으며, 이 효과는 여러 다른 재료에서 나타났습니다. 2023년, 워싱턴 대학교 물리학자이자 컬럼비아 에너지부 산하 에너지 프론티어 프로그램 가능 양자 재료 연구 센터(ProQM) 소속인 샤오동 쉬(Xiaodong Xu)는 비틀려 모아레 패턴으로 알려진 현상을 형성한 몰리브덴 디텔루라이드 층에서 특이한, 즉 자석이 없는 분수 양자 홀 효과를 발견하면서 중요한 진전을 이루었습니다. 쉬의 발견은 코넬 대학교의 실험과 상하이 교통 대학교의 연구 결과에 의해 뒷받침되었습니다.

주 교수는 박사과정생인 지아치 차이(Jiaqi Cai)와 헌전운 박(Heonjeoon Park)이 주도하고 네이처(Nature) 에도 두 편의 논문을 게재한 쉬(Xu)의 연구에서 두 가지 중요한 부분 양자 이상 홀(FQAH) 상태가 발견되었다고 설명했습니다. 앞으로 더 많은 연구가 진행될 예정입니다.

비밀은? 바로 모아레 무늬다…

ProQM 팀이 연구해 왔고, 또 자주 연구하는 소재는 모아레 소재입니다. 모아레 소재는 다양한 원소로 이루어진 원자 두께의 얇은 층들이 서로 미세하게 꼬여 형성된 구조입니다. 그 결과, 단일 층이나 층을 벗겨낸 벌집 결정에서는 찾아볼 수 없는 특성을 가진 벌집 모양의 패턴이 형성됩니다.

몰리브덴 디텔루라이드 층이 꼬이면 위상기하학적 구조를 갖게 됩니다. 즉, 전자들이 특정한 배열로 유지되어 더 큰 전체로 합쳐지고, 이는 다시 직관에 반하는 방식으로 분수 양자 홀 전하로 분해될 수 있습니다. 또한 이러한 꼬임은 내부 자기장을 생성하여 외부 자석이 필요 없게 합니다.

지난여름, 컬럼비아대 막스플랑크 NYC 센터 박사후연구원이자 네이처 논문 의 주저자인 이핑 왕은 쉬 박사 연구실에서 샘플을 얻었습니다. 주 박사는 여행 중이던 중, 공동 저자이자 사이먼스 펠로우인 에릭 아세놀트가 개발한 펌프-프로브 분광법을 이용하여 몇 가지 실험을 진행하기로 했습니다. 그녀의 화면에는 수십 개의 분수 전하와 일치하는 피크가 나타났는데, 여기에는 이론적으로 위상 양자 컴퓨터를 구축하는 데 필요한 구성 요소로 예측된 ​​분수, 즉 비아벨 아니온(non-Abelian anyon)이 포함되어 있었습니다.

펌프-프로브 방식에서, 한 레이저 펄스는 물질의 양자 상태를 "녹이고", 두 번째 펄스는 상태가 다시 나타날 때 전기적 상호작용의 세기를 측정하는 유전율의 변화를 감지합니다. 아르세노의 방법은 수많은 분수 에너지 준위의 미묘한 차이를 분리할 수 있는 초고속 레이저를 사용합니다. 주 박사는 "이 발견은 또한 펌프-프로브 분광법이 물질의 양자 상태를 감지하는 데 있어 지금까지 가장 민감한 기술임을 확립합니다."라고 말했습니다.

가장 낮은 에너지 상태, 즉 기저 에너지 상태에서 상태를 발견하는 것 외에도, 상태가 변화하는 과정의 세부 사항도 포착합니다. "기저 상태에서 상관관계와 위상을 탐구하기 위해 새로운 차원인 시간에 진입한 것 같습니다."라고 왕은 말했습니다. "특히 평형 상태에서 벗어나게 할 때, 그 상태들은 계속해서 우리를 놀라게 합니다."

이제 이 모든 새로운 상태가 정확히 무엇이고, 무엇에 가장 유용할 수 있는지 알아낼 때입니다. "정말 많은 상태들이 있습니다. 이 결과와 저희 기술이 다른 연구자들에게 영감을 주기를 바랍니다."라고 Zhu는 말했습니다.

정말 동물원이 따로 없군요.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/04/250421162939.htm