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평평한 에너지 띠를 갖는 2차원 카고메 격자와 에너지띠

[아시아경제 황준호 기자] 국내 연구진이 고체 물질의 양자거리를 측정하는 방법을 세계 최초로 제시했다. 전자 에너지가 일정한 고체 물질에 자기장을 걸어, 에너지 준위 퍼짐의 정도에 따라 양자거리를 측정하는 방식이다. 향후 양자컴퓨터를 만들 소재를 탐색하는 방법으로 활용될 수 있을 것으로 예상된다.

양범정 기초과학연구원 강상관계 물질 연구단 교수(서울대 물리천문학부), 임준원 책임연구원, 김규 한국원자력연구원 책임연구원 등은 이같은 내용의 연구 결과를 국제 학술지인 네이처에 6일(현지시간) 발표했다.

일반적인 고체의 에너지띠와 란다우 준위

연구팀은 전자 에너지가 평평한 에너지띠를 가지는 고체물질에 자기장을 걸었을 때 에너지 준위 퍼짐이 나타나며 이를 이용해 양자거리를 잴 수 있다는 새로운 사실을 제시했다.

먼저 연구진은 평평한 에너지띠와 곡선 에너지띠가 교차하는 물질에 자기장을 걸면 전자들의 에너지 준위(란다우 준위)가 퍼짐을 발견했다. 두 띠가 교차하는 고체물질은 평면 형태의 순환 그래핀, 카고메 격자물질 등이다.

이 물질들은 에너지띠끼리 교차하는 점에서의 양자상태에 따라 자기장을 걸었을 때 에너지준위 퍼짐 현상이 나타났다. 양자거리를 결정하는 양자상태가 실제 물성에 영향을 미친 것이다. 연구팀은 양자거리의 최대값이 에너지 준위 퍼짐을 결정한다는 것도 입증했다.

연구팀은 이번 연구가 고체 전자의 에너지 준위를 관찰해 양자거리를 정확히 측정할 수 있음을 이론적으로 증명한 연구라고 밝혔다.

임준원 책임연구원은 "여러 이차원 물질에서 파동함수의 양자거리를 정확히 측정하고, 관련 물성을 조절할 수 있게 됐다"고 밝혔다. 양범정 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 전망했다.

자기장 하에서 평평한 에너지띠의 란다우 준위 변화

황준호 기자 rephwang@asiae.co.kr

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