이리듐산화물로 이뤄진 양자 물질에서 세계 최초로 스핀 네마틱 상을 관측, 양자컴퓨팅과 초전도체 개발에 획기적인 진전을 이룬 김범준 포항공대 물리학과 교수가 12월 과학기술인으로 선정됐다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단은 이달의 과학기술인상 12월 수상자로 김범준 포항공대 물리학과 교수를 선정했다고 4일 밝혔다.
김 교수는 기초과학연구원(IBS) 원자제어 저차원 전자계 연구단 부연구단장으로서 양자 물질에서 액정과 유사한 물질인 네마틱 상을 세계 최초로 관측했다.
액정을 포함한 제4의 상인 네마틱은 액체와 고체의 성질을 동시에 갖는다. 액체처럼 자유롭게 움직이지만, 고체처럼 분자의 배열이 규칙적이다.
네마틱 상이 양자역학적인 전자의 각 운동량을 뜻하는 스핀 계에서도 존재할 것이라는 이론적 예측은 반세기 전부터 있었지만, 실제 물질에서 확인한 건 김 교수가 처음이다. 네마틱 상이 되면 자성이 사라져 기존 기술로는 관측이 어렵다는게 정설이었다.
김 교수는 세계 3번째로 고분해능 X선 산란 분광기를 개발하고 이를 포항가속기연구소 내에 구축해 연구를 수행했다. 그 결과 이리듐 산화물이 230K(-43.15℃) 이하 저온에서는 자기 쌍극자와 사극자가 공존했지만, 260K(-13.15℃)의 온도까지는 쌍극자가 사라져도 사극자가 남아있는 것을 확인했다.
스핀 네마틱은 네 개의 극으로 이뤄진 사극자가 정렬된 상태로, 230∼260K의 온도 범위에 스핀 네마틱 상태로 존재한다는 걸 보인 것이다.
김 교수팀은 이리듐 산화물의 스핀 공간 구조를 해독해 여러 개 스핀 사이에 양자 얽힘이 존재한다는 사실도 밝혔다. 이는 양자 얽힘이 있는 스핀 액체에서 발생하는 고온 초전도 현상이 스핀 네마틱상을 띄는 이리듐 산화물에서도 존재할 수 있다는 가능성을 제시한 것이다. 연구결과는 지난해 12월 국제학술지 '네이처'에 실려 전세계 물리학계에 큰 관심을 받았다.
김 교수는 "이번 연구는 이론적으로 반세기 전에 예측된 스핀 네마틱 상의 존재를 실험적으로 확인한 데 의의가 있다"라며 "앞으로 이 물질상의 특성을 잘 이해하게 되면 고온초전도체 등에 새로운 응용 가능성이 높다"고 말했다.
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