작은 금 "초대형 원자"가 양자 혁명을 일으킬 수 있다

금 나노클러스터는 이제 양자 성능 면에서 포획된 원자 이온과 경쟁할 수 있으며, 차세대 장치를 위한 확장 가능하고 조정 가능한 구성 요소를 제공합니다. 출처: AI/ScienceDaily.com

양자 컴퓨터, 센서 및 기타 응용 분야의 효율성은 전자의 특성, 특히 전자의 회전 방식에 따라 좌우되는 경우가 많습니다. 고성능 양자 응용 분야에서 가장 정확한 시스템 중 하나는 기체에 갇힌 원자의 전자 스핀 특성을 활용하는 것이지만, 이러한 시스템은 양자 컴퓨터와 같은 대형 양자 장치에 사용하기에는 확장성이 부족합니다. 펜실베이니아 주립대학교와 콜로라도 주립대학교 연구팀은 금 클러스터가 기체에 갇힌 원자를 모방하는 방법을 시연하여 과학자들이 이러한 스핀 특성을 활용하여 쉽게 확장 가능한 시스템을 구축할 수 있도록 했습니다.

펜실베이니아 주립대 에버리 과학대학 화학과 학과장이자 교수이자 연구팀 책임자인 켄 나펜버거는 "금 나노클러스터가 양자 정보 시스템을 위한 현재 최첨단 방법과 동일한 핵심 스핀 특성을 가지고 있음을 처음으로 보여주었습니다."라고 말했습니다. "흥미롭게도, 일반적으로 물질에 고정되어 있는 이 클러스터에서 스핀 편극이라는 중요한 특성을 제어할 수 있습니다. 이러한 클러스터는 비교적 대량으로 쉽게 합성할 수 있으므로, 이 연구는 금 클러스터가 다양한 양자 응용 분야를 지원하는 데 사용될 수 있다는 유망한 개념 증명입니다."

금 클러스터를 설명하고 스핀 특성을 확인한 두 편의 논문이 ACS Central Science, ACS Central Science 및 The Journal of Physical Chemistry Letters 에 게재되었습니다.

"전자의 스핀은 중요한 화학 반응뿐만 아니라 계산 및 감지와 같은 양자 응용 분야에도 영향을 미칩니다."라고 펜실베이니아 주립대 에버리 과학대학 화학과 대학원생이자 해당 논문 중 하나의 주저자인 네이트 스미스는 말했습니다. "전자의 스핀 방향과 시스템 내 다른 전자에 대한 정렬은 양자 정보 시스템의 정확도와 수명에 직접적인 영향을 미칠 수 있습니다."

지구가 태양에 대해 기울어진 축을 중심으로 회전하는 것처럼, 전자는 핵에 대해 기울어진 축을 중심으로 회전할 수 있습니다. 하지만 지구와는 달리 전자는 시계 방향이나 반시계 방향으로 회전할 수 있습니다. 물질 내 여러 전자가 같은 방향으로 회전하고 그 기울기가 정렬되어 있을 때, 전자들은 상관되어 있다고 여겨지며, 해당 물질은 높은 스핀 편극도를 가지고 있다고 합니다.

"상관관계가 높고 스핀 편극도가 높은 전자를 가진 물질은 이러한 상관관계를 훨씬 더 오랫동안 유지할 수 있고, 따라서 훨씬 더 오랫동안 정확성을 유지할 수 있다"고 스미스는 말했다.

양자 정보 시스템에서 높은 정확도와 낮은 오차를 구현하는 최첨단 시스템은 기체 상태의 원자 이온(전하를 띤 원자)을 포획하는 방식을 사용합니다. 이 시스템은 전자를 리드베리 상태(Rydberg state)라고 불리는 다양한 에너지 준위로 여기시키는데, 리드베리 상태는 매우 특정한 스핀 편극을 가지며 장시간 지속될 수 있습니다. 또한 전자의 중첩을 가능하게 하여 측정될 때까지 전자가 여러 상태에 동시에 존재할 수 있도록 하는데, 이는 양자 시스템의 핵심 특성입니다.

"이렇게 갇힌 기체 이온은 본래 희석되어 확장하기가 매우 어렵습니다."라고 나펜버거는 말했다. "고체 물질에 필요한 응축상은 본질적으로 원자들을 서로 뭉치게 하여 희석된 특성을 잃게 됩니다. 따라서 확장하면 필요한 모든 전자 구성 요소를 갖추게 되지만, 이러한 시스템은 환경의 간섭에 매우 민감해집니다. 환경은 시스템에 인코딩된 모든 정보를 기본적으로 뒤섞어 오류율이 매우 높아집니다. 이 연구에서 우리는 금 클러스터가 확장성을 유지하면서도 갇힌 기체 이온의 모든 장점을 모방할 수 있음을 발견했습니다."

과학자들은 광학 기술, 감지, 치료 및 화학 반응 가속 분야에서 금 나노구조의 잠재적 활용 가능성을 연구해 왔지만, 자성 및 스핀 의존적 특성에 대해서는 알려진 바가 거의 없습니다. 최근 연구에서 연구진은 금으로 된 핵을 가지고 리간드라는 다른 분자들로 둘러싸인 단층으로 보호된 클러스터를 구체적으로 탐구했습니다. 연구진은 이러한 클러스터의 구조를 정밀하게 제어할 수 있으며, 한 번에 비교적 많은 양을 합성할 수 있습니다.

"이 클러스터들은 전자적 특성이 원자와 유사하고 스핀 특성 또한 유사하다는 것을 알고 있기 때문에 슈퍼 원자라고 불립니다."라고 스미스는 말했다. "우리는 갇힌 기체 상태의 희박 이온에서 나타날 수 있는 중첩 상태를 모방하는 19개의 구별 가능하고 고유한 리드베리 유사 스핀 편극 상태를 발견했습니다. 이는 이 클러스터들이 스핀 기반 연산을 수행하는 데 필요한 핵심 특성을 가지고 있음을 의미합니다."

연구진은 기존 원자에 사용한 것과 유사한 방법을 사용하여 금 클러스터의 스핀 편극을 측정했습니다. 한 종류의 금 클러스터는 7%의 스핀 편극을 보인 반면, 다른 리간드를 가진 클러스터는 40%에 가까운 스핀 편극을 보였는데, 나펜버거는 이러한 수치가 일부 선도적인 2차원 양자 물질과 비교했을 때 경쟁력이 있다고 밝혔습니다.

"이것은 전자의 스핀 특성이 리간드의 진동과 밀접한 관련이 있음을 보여줍니다."라고 나펜버거는 말했다. "전통적으로 양자 물질은 스핀 편극 값이 고정되어 있어 크게 변경할 수 없지만, 이번 연구 결과는 이러한 금 클러스터의 리간드를 수정하여 이 특성을 광범위하게 조절할 수 있음을 시사합니다."

연구팀은 리간드 내의 다양한 구조가 스핀 편극에 어떤 영향을 미치는지, 그리고 이를 조작하여 스핀 특성을 미세하게 조정할 수 있는 방법을 연구할 계획입니다.

"양자 분야는 일반적으로 물리학과 재료 과학 연구자들이 주도하고 있는데, 여기서 우리는 화학자들이 합성 기술을 활용하여 조절 가능한 결과를 가진 재료를 설계할 수 있는 기회를 보게 됩니다."라고 나펜버거는 말했습니다. "이것은 양자 정보 과학의 새로운 지평입니다."

Smith와 Knappenberger 외에도 연구팀에는 Penn State의 화학 분야 대학원생인 Juniper Foxley, 2019년 Penn State에서 화학 분야 박사 학위를 취득한 Patrick Herbert, Penn State Eberly College of Science의 연구원인 Jane Knappenberger, Colorado State의 Marcus Tofanelli와 Christopher Ackerson이 포함됩니다.

이 연구는 공군 과학 연구 사무국과 미국 국립 과학 재단의 자금 지원으로 이루어졌습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/08/250810093250.htm