과학자들은 두 가지 '불가능한' 재료를 새로운 인공 구조로 결합했다

러트거스 대학교 뉴브런즈윅 캠퍼스 연구진이 이끄는 국제 연구팀은 실험실에서 합성한 두 가지 물질을 합쳐서 한때는 존재할 수 없다고 여겨졌던 합성 양자 구조를 만들어냈으며, 이를 통해 양자 컴퓨팅의 핵심이 될 새로운 소재를 개발할 수 있는 통찰력을 제공할 것으로 기대되는 이국적인 구조를 만들어냈습니다.

저널 Nano Letters 의 표지 기사에 설명된 이 연구는 4년간의 지속적인 실험을 통해 어떻게 독특한 원자층으로 구성된 독특하고 작은 샌드위치를 ​​설계하고 구축하는 새로운 방법이 도출되었는지 설명합니다.

미세 구조의 한 조각은 방사성 물질을 가두고 포착하기 어려운 자기 단극 입자를 포함하는 핵 반응기에서 사용되는 무기 화합물인 티탄산 디스프로슘으로 만들어졌고, 다른 조각은 오늘날의 실험 연구에 주로 사용되는 새로운 자기 반금속인 피로클로르 이리데이트로 구성되어 있으며, 독특한 전자적, 위상적 및 자기적 특성으로 인해 사용됩니다.

개별적으로 보면, 두 물질 모두 양자 물리학에 대한 기존 이해에 도전하는 고유한 특성 때문에 종종 "불가능한" 물질로 간주됩니다.

이 이국적인 샌드위치 구조의 구축은 인터페이스, 즉 원자 수준에서 재료가 만나는 영역에 대한 과학적 탐구의 토대를 마련해 줍니다.

"이 연구는 완전히 새로운 인공 2차원 양자 물질을 설계하는 새로운 방법을 제공하며, 양자 기술을 발전시키고 이전에는 불가능했던 방식으로 그 기본 속성에 대한 더 깊은 통찰력을 제공할 가능성이 있습니다." Rutgers 예술 및 과학 대학의 물리 및 천문학과에서 실험 물리학의 클로드 러브레이스 기부 교수이자 이 연구의 주요 연구원인 Jak Chakhalian의 말입니다.

Chakhalian과 그의 팀은 양자 이론의 법칙을 따르는 영역을 탐구하고 있습니다. 양자 이론은 원자 및 아원자 수준에서 물질과 에너지의 행동을 설명하는 물리학의 한 분야입니다. 양자 역학의 핵심은 파동-입자 이중성이라는 개념으로, 양자 객체는 파동과 같은 속성과 입자와 같은 속성을 모두 가질 수 있습니다. 이는 레이저, 자기 공명 영상(MRI), 트랜지스터와 같은 기술의 기본 원리입니다.

Chakhalian은 연구에 큰 기여를 한 Rutgers 학생 3명, 즉 박사 과정 학생인 Michael Terilli와 Tsung-Chi Wu, 그리고 2024년에 졸업하고 학부생으로서 연구에 참여한 Dorothy Doughty의 노고를 높이 평가했습니다. 또한 Chakhalian과 함께 일하는 재료 과학자인 Mikhail Kareev는 새로운 합성 방법에 큰 기여를 했고, 최근 물리학과 천문학과를 졸업한 박사 과정 학생인 Fangdi Wen도 마찬가지였습니다.

차칼리안은 이 독특한 양자 샌드위치를 ​​만드는 것이 기술적으로 너무 어려워서 팀이 이 업적을 달성하기 위해 새로운 장치를 만들어야 했다고 말했습니다.

Q-DiP라고 불리는 이 기구는 양자 현상 발견 플랫폼의 약자로 2023년에 완성되었습니다. Q-DiP는 적외선 레이저 히터와 다른 레이저를 통합하여 원자 수준에서 층별로 재료를 구성할 수 있습니다. 이 조합을 통해 과학자들은 절대 영도에 가까운 초저온까지 재료의 가장 복잡한 양자 특성을 탐구할 수 있습니다.

차칼리안은 "우리가 아는 한, 이 탐사는 미국에서 유일무이한 것이며 도구적 진보로서 획기적인 진전을 나타낸다"고 말했습니다.

실험 샌드위치의 절반인 디스프로슘 티타네이트, 즉 스핀 아이스는 특별한 특성을 가지고 있습니다. 스핀이라고 불리는 내부의 작은 자석은 물 얼음의 패턴과 똑같은 방식으로 배열되어 있습니다. 스핀 아이스의 작은 자석의 독특한 구조는 자기 단극이라고 불리는 특별한 입자로 나타날 수 있게 합니다.

자기 단극은 자석처럼 작용하는 입자이지만, 북극이나 남극 중 하나만 있고, 둘 다 있는 것은 아닙니다. 1931년 노벨상 수상자 폴 디랙이 예측한 이 물체는 우주에서 자유 형태로 존재하지 않지만, 스핀 얼음 내부에서는 물질 내의 양자 역학적 상호 작용의 결과로 나타납니다.

샌드위치의 반대편에서, 반금속 피로클로르 이리데이트도 바일 페르미온이라는 작은 상대론적 입자를 포함하고 있기 때문에 이국적인 것으로 간주됩니다. 다시 말하지만, 놀랍게도 1929년 헤르만 바일이 예측했지만, 2015년 결정에서 발견된 이 이국적인 입자는 빛처럼 움직이고 왼손잡이 또는 오른손잡이로 다른 방식으로 회전할 수 있습니다.

이들의 전자적 특성은 매우 강하고 특정 유형의 교란이나 불순물에 강하기 때문에 전자 장치의 일부로 작동할 때 매우 안정적입니다. 결과적으로 피로클로르 이리데이트는 전기를 매우 잘 전도하고, 자기장에 특이한 방식으로 반응하며 전자기장에 노출되면 특수 효과를 보일 수 있습니다.

차칼리안은 새롭게 개발된 소재의 결합된 특성으로 인해 양자 컴퓨팅을 비롯한 첨단 기술 및 특히 차세대 양자 센서에 사용하기에 유망한 후보가 될 것이라고 말했습니다.

그는 "이 연구는 재료 합성에 있어서 큰 진전이며, 양자 센서를 만들고 스핀트로닉스 장치를 발전시키는 방식에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다."라고 말했습니다.

양자 컴퓨팅은 양자 역학의 원리를 사용하여 정보를 처리합니다. 양자 컴퓨터는 중첩이라는 양자 물리 원리로 인해 동시에 여러 상태로 존재하는 양자 비트 또는 큐비트를 사용합니다. 이를 통해 고전적 컴퓨터보다 복잡한 계산을 훨씬 더 효율적으로 수행할 수 있습니다.

연구진이 개발한 이 물질의 특정한 전자적 및 자기적 특성은 양자 컴퓨팅에 필수적인, 매우 독특하면서도 안정적인 양자 상태를 만드는 데 도움이 될 수 있습니다.

양자 기술이 실용화되면 약물 발견과 의학 연구에 혁명을 일으켜 일상 생활에 큰 영향을 미치고, 금융, 물류, 제조 분야에서 운영, 예측 가능성, 비용 절감을 크게 개선할 것입니다. 또한 기계 학습 알고리즘에 혁명을 일으켜 인공 지능 시스템을 더욱 강력하게 만들 것으로 기대된다고 과학자들은 말했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/04/250402200857.htm