물리학과 최광용 교수 연구팀이 스핀-1/2 카고메 격자(kagome lattice)에서 이론적으로 예측된 특이한 자기 상태인 1/9 자화 플래토(magnetization plateau)를 실제 물질 YCu₃(OD)₆+xBr₃−x (x ≈ 0.5)에서 실험적으로 구현하는 데 성공했고, 스핀 간 강한 양자 얽힘(quantum entanglement)이 플래토 형성에 핵심적인 역할을 한다는 실험적 증거를 제시했다.

양자 스핀 액체(quantum spin liquid)는 전통적인 자성 물질과 달리 절대온도 0K에서도 자기적으로 정렬되지 않으며, 스핀들이 장거리 양자 얽힘을 유지하면서 위상적 양자 상태를 형성하는 특성을 가진다. 특히, 카고메 격자는 삼각형이 모서리를 공유하는 2차원 결정 구조로, 반강자성적으로 정렬된 스핀들이 기하학적 좌절(geometrical frustration) 때문에 특정한 배치를 이루지 못하고 강한 양자 요동을 유지한다. 이러한 성질 덕분에 카고메 격자는 양자 스핀 액체와 같은 새로운 양자 위상(quantum phase)을 탐색하는 데 이상적인 모델 시스템으로 간주된다.

본 연구에서는 YCu₃(OD)₆+xBr₃−x 물질에 15 테슬라의 강한 자기장을 가했을 때, 1/9 자화 플래토가 안정적으로 유지됨을 실험적으로 확인했다. 이를 위해 연구진은 열역학적 측정(비열, 열전도도, 펄스 자기장 자기곡선)과 라만 분광 분석을 활용하여 디랙 스핀논(Dirac spinon) 준입자의 존재를 관측하였으며, 플래토 상태가 Z₃ 대칭성을 갖는 특이한 양자 스핀계와 관련이 있음을 밝혔다.

최광용 교수는 “카고메 스핀 격자에서 자기장을 인가하여 나타나는 1/9 자화 플래토 상태의 구현은 새로운 양자 물질 연구에 중요한 돌파구를 마련하는 성과”라며, “이 연구는 향후 스핀 액체 상태 및 양자 얽힘을 활용한 오류율이 낮고 안정적인 양자비트(qubit) 구현과 위상 양자 컴퓨팅(topological quantum computing) 응용에도 이바지할 것으로 기대된다”라고 강조했다.

본 연구는 기초과학연구원(IBS) Dirk Wulferding, 최성균 박사와 서울대학교 김기훈 교수팀이 공동으로 수행하였으며, 한국연구재단(NRF)의 지원을 받아 진행되었다. 연구 결과는 세계적 학술지 네이처 피직스(Nature Physics, IF:18.1, JCR 상위 5%)에 2024년 1월 12일 온라인 게재되었고, 네이처 피직스의 New&Views에 “A kagome antiferromagnet reaches its quantum plateau” 제목으로 2월 12일에 소개되었다.

※ 논문명: One-ninth magnetization plateau stabilized by spin entanglement in a kagome antiferromagnet

※ 논문링크: https://www.nature.com/articles/s41567-023-02318-7

카고메 격자위에 형성된 디랙 스핀논과 자기 곡선에서 관측된 1/9 자기 플래토의 관측