국내 연구팀 베일에 싸인 물리량 ‘양자거리’ 재는 법 첫 제시

전자의 파동함수인 ‘블로흐 파’와 양자 거리고체 내에서의 전자의 파동 함수인 블로흐 파의 기하학적 구조. 양자 거리를 통해서 두 블로흐 파 사이의 양자 역학적인 거리가 얼마나 가까운지 또는 먼지 나타낼 수 있다/자료=IBS

국내 연구진이 그동안 측정이 불가능했던 고체의 ‘양자거리’를 측정하는 방법을 세계 최초로 제시했다.

기초과학연구원(IBS) 강상관계 물질 연구단 양범정 교수(서울대 물리천문학부)는 임준원 책임연구원, 김규 한국원자력연구원 책임연구원과 함께 이같은 연구성과를 6일 발표했다.

양자거리는 에너지, 스핀 등 양자역학적으로 본 입자의 상태 정보를 담고 있는 두 파동함수의 유사성을 나타내는 물리량이다.

이번 연구를 통해 양자통신과정 혹은 양자컴퓨터 연산과정의 양자정보 손실을 측정할 수 있을 것으로 기대된다.

양자역학에서 고체 내의 전자는 파동으로 간주되는데, 이 파동은 곡률과 양자거리로 나타내는 기하학적 모양을 가진다.

양자거리는 파동구조의 핵심 요소지만 지금까지는 고체에서 양자거리를 측정할 방법이 없었고, 물성으로도 나타나지 않아 크게 주목받지 못했다.

연구진은 평평한 에너지띠를 갖는 고체에 자기장을 걸어 양자거리 측정이 가능하다는 것을 세계 처음으로 밝혀냈다. 여기서 에너지띠는 고체 속 전자가 운동량에 상관없이 일정한 에너지를 갖는 것을 말한다.

연구진은 평평한 에너지띠를 갖는 고체에 자기장을 걸면 에너지 준위가 변하는 것을 이론적으로 발견하고, 이 변화로부터 양자거리를 특정할 수 있다는 것을 증명했다.


연구진은 평평한 에너지띠와 곡선 에너지띠가 교차하는 물질에 자기장을 걸면 전자들의 에너지 준위(란다우 준위)가 퍼짐을 발견했다.

이어 이 에너지 준위 퍼짐은 에너지띠끼리 교차하는 점에서의 양자상태에 달려있음을 밝혔다. 양자거리를 결정하는 양자상태가 실제 물성인 에너지에 영향을 미친 것이다. 이에 착안해 연구한 결과, 양자거리의 최댓값이 에너지 준위 퍼짐을 결정함을 알아냈다.

이번 연구는 고체 전자의 에너지 준위를 관찰해 양자거리를 정확히 측정할 수 있음을 이론적으로 증명, 전자파동의 기하학적 구조와 관련한 새로운 고체 연구의 장을 열 것으로 기대된다.

임준원 책임연구원은 “여러 이차원 물질에서 파동함수의 양자거리를 정확히 측정하고 관련 물성을 조절할 수 있다”고 의미를 밝혔다.

양 교수는 “고체를 양자기하학으로 분석한 기존 연구들은 곡률에 국한돼 있었는데, 이번 연구로 양자거리를 측정해 물성을 밝힐 수 있게 됐다”며 “나아가 양자정보 분야에 쓰일 새로운 재료를 찾는 데 기여할 것”이라고 말했다. 이번 연구성과는 국제학술지 ‘네이처’에 게재됐다.