에너지과학과 김성웅 교수 공동 연구팀, 떠 있는 2차원의 순수한 양자 전자상 발견

- 높은 온도에서의 양자 컴퓨팅 개발 연구로 확대 기대

▲ 왼쪽부터 에너지과학과 김성웅 교수(교신저자), KAIST 물리학과 김용관 교수(교신저자), KAIST 물리학과 김성헌 박사(제1저자)

에너지과학과 김성웅 교수와 KAIST 물리학과 김용관 교수 공동 연구팀은 순수하게 전자만으로 이루어진 2차원 양자 전자상을 발견하였다. 연구팀은 이같은 내용을 과학기술 분야 국제학술지 ‘네이쳐 머티리얼즈’(IF: 47.656)에 발표했다.

자연계에서 전자(electrons)는 원자를 구성하는 요소로 원자핵과 결합한 상태로 존재한다. 따라서 오직 전자만으로 이루어진 순수한 전자상(electron phase)을 이루는 것은 실험적으로 불가능한 것으로 여겨져 왔다. 공동연구팀은 이러한 한계에서 벗어나 전자만으로 이루어진 순수한 양자 전자상(quantum electron phase)을 비어있는 공간에서 떠 있는 2차원 형태로 구현하였다.

연구팀은 미지의 순수 전자상을 실현시키기 위해 물질 내부의 빈 공간에 음이온 형태로 전자가 존재하는 전자화물(electride)이라는 새로운 양자 소재에 주목하였다. 전자화물은 전자가 원자의 최외각 궤도에 위치하지 않고, 규칙적으로 배열된 원자들 사이의 독립적인 공간에 음이온의 형태로 존재하는 신소재로 다양한 분야(촉매 등)로의 응용이 기대되어 왔다.

연구팀은 2차원 전자화물인 가돌리늄 탄소화합물(Gd2C)의 표면 원자층 제거를 통해 내부의 음이온 전자층을 비어있는 공간으로 드러내면 Gd2C 전자화물 원자층으로부터 떨어진 곳에 자유롭게 흐를 수 있는 일종의 액체와 같은 상태로 떠 있는 2차원 전자상을 구현해냈다. 특히 공동연구팀은 떠 있는 전자상의 전자 밀도를 제어해 액체 상태에서 전자가 고정되어 흐르기 어려운 전자 액정 상태로 변화시키는 데 성공했다. 액정 상태란 액체와 고체의 중간 특성을 보이는 상태를 일컫는다.

이는 형성된 2차원 전자상의 상태 변화를 이끌어 낼 수 있음을 보여주는 것으로, 1930년대에 이론적으로 제안된 이후 아직까지 물리학계의 난제로 남아있는 미지의 위그너 격자(Wigner crystal) 구현과 그에 관한 연구가 가능함을 보여주는 결과이다. 위그너 격자란, 원자가 정렬되어 고체 물질을 이루는 것과 같이 순수 전자가 원자핵 없이 규칙적으로 배열된 일종의 전자의 고체 상태를 일컫는다.

기존 순수 전자상은 극저온(0.1K 이하)에서 액체 헬륨을 이용하여 연구되어왔으나 이번 결과는 10K에서 고체 전자화물을 이용하여 순수한 양자 전자상을 발견한 것이어서 앞으로 전자만을 자유롭게 활용한 기초 및 응용 연구를 가능하게 할 것으로 기대된다.

KAIST 김용관 교수는 “이번 연구는 순수한 전자계에서 전자 특성을 정확히 이해할 수 있는 기틀을 마련하였다”며 “위그너 격자에 대한 연구까지 확장 가능할 것”이라고 말했다.

에너지과학과 김성웅 교수는 “이번 연구로 누구나 쉽게 제조할 수 있는 전자화물 양자 소재의 2차원 양자 전자상을 활용하면 높은 온도에서의 양자 컴퓨팅 개발 연구로도 확대할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.

이번 연구는 삼성미래기술육성사업, 한국연구재단의 미래기술연구실사업 및 대학중점연구소지원사업 등의 지원을 받아 수행됐다.

※ 논문명: Quantum electron liquid and its possible phase transition

※ 저널: Nature Materials, https://www.nature.com/articles/s41563-022-01353-8

▲ 전자화물 Gd2C의 결정구조 및 떠 있는 2차원 전자상(부유 전자층)을 보여주는 모식도(왼쪽)와 2차원 부유 전자층(오른쪽 위)과 계면 공간에 존재하는 음이온 전자층(오른쪽 아래)