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[IT뉴스]“전자 움직임이 왜 이러지”… 분수 전하에 물리학계 관심 집중

온카뱅크관리자

2024-04-08 03:05:14

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div>  <strong class="summary_view" data-translation="true">‘분수 양자 변칙 홀 효과’ 주목<br>외부 자기장 없이 특정 배열만으로<br>전자 전하량이 분수 형태로 나타나…그래핀-2차원 물질서 잇따라 발견<br>양자컴퓨터 성능 개선에 활용 기대</strong> 
        <div class="article_view" data-translation-body="true" data-tiara-layer="article_body" data-tiara-action-name="본문이미지확대_클릭"> 
         <section dmcf-sid="PPbrsfuSD7">
          <figure class="figure_frm origin_fig" dmcf-pid="QgMWGi8tmu" dmcf-ptype="figure">
           <p class="link_figure"><img alt="얇은 탄소 동소체인 그래핀 다중 층에서 전자가 집단적으로 움직이며 개별적으로 ‘분수 전하’를 갖는 것처럼 움직이는 현상이 관찰됐다. 게티이미지코리아" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202404/08/donga/20240408030516787geqi.jpg" data-org-width="1200" dmcf-mid="6pIV4vwMmz" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img4.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202404/08/donga/20240408030516787geqi.jpg" width="658"></p>
           <figcaption class="txt_caption default_figure">
            얇은 탄소 동소체인 그래핀 다중 층에서 전자가 집단적으로 움직이며 개별적으로 ‘분수 전하’를 갖는 것처럼 움직이는 현상이 관찰됐다. 게티이미지코리아
           </figcaption>
          </figure>
          <table dmcf-pid="xaRYHn6FwU" dmcf-ptype="general">
           <tbody>
            <tr>
             <td>분수 양자 변칙 홀 효과<br>
</td>
            </tr>
            <tr>
             <td>2차원 물질에서 움직이는 전자가 극저온 환경에서 강력한 수직 자기장을 받으면 양자화된다. 특정 조건에서 전자들이 상호작용하며 집단적으로 행동하면 각 전자의 전하가 분수 형태로 나타나는 ‘분수 양자 홀 효과(FQHE)’가 나타난다. 자기장 없이 원자들의 특별한 구조만으로 이런 현상이 나타나면 변칙(Anomalous)이라는 뜻을 더해 ‘분수 양자 변칙 홀 효과(FQAHE)’라고 한다. </td>
            </tr>
           </tbody>
          </table>
          <div dmcf-pid="y9pjcq1mmp" dmcf-ptype="general">
            엇갈리게 쌓은 그래핀에서 전자가 마치 ‘분수 전하’를 갖는 것처럼 움직이는 현상이 잇따라 관찰돼 비상한 관심을 모으고 있다. 분수 전하란 전자 하나의 전하량이 ―1이 아닌 ―2/3, ―3/5처럼 분수로 나타나는 현상을 일컫는다. ‘분수 양자 변칙 홀 효과(FQAHE)’라고 알려진 이 현상은 전자의 움직임에 대한 새로운 관점을 제시할 뿐만 아니라 양자컴퓨터에도 응용될 가능성이 있기 때문이다. 
          </div>
          <p dmcf-pid="W2UAkBtsE0" dmcf-ptype="general">최근 국제학술지 네이처에 따르면 물리학자들이 잇따라 FQAHE 현상을 관찰했다는 소식이 전해졌다. 지난해 5월 미국 워싱턴대 연구팀이 ‘몰리브덴 디텔루라이드(MoTe2)’라는 2차원(2D) 물질에서 FQAHE 현상을 관찰한 데 이어 올 2월에 미국 매사추세츠공대(MIT) 연구팀도 그래핀에서 같은 현상을 발견한 것이다. 이 같은 소식에 전 세계 물리학자들의 관심이 쏠리고 있다. 2차원 물질은 원자가 평면으로 이뤄져 있어 전자가 수직 방향으로 움직이지 못하는 물질을 뜻한다.</p>
          <p dmcf-pid="YTmK2hkPE3" dmcf-ptype="general"><strong>● ‘분수 전하’를 가진 것처럼 행동하는 전자 발견</strong></p>
          <p dmcf-pid="Gys9VlEQIF" dmcf-ptype="general">홀 효과는 전자가 직선운동을 할 때 수직 방향으로 강한 자기장을 걸면 전자가 자기장의 영향을 받아 휘면서 전류와 자기장 모두에 수직인 방향으로 전압이 걸리는 현상이다. 고전적인 홀 효과에서 전압과 저항은 자기장의 세기에 따라 선형적으로 변한다.</p>
          <p dmcf-pid="HWO2fSDxIt" dmcf-ptype="general">극저온 상태에서 자기장의 세기를 매우 크게 한 뒤 홀 효과로 인한 저항을 측정하면 어느 순간부터 불연속적인 계단 형태로 증가한다. 극저온과 고자기장 환경에서는 전자가 존재할 수 있는 정해진 에너지 수준 사이가 멀어지기 때문에 전자들이 에너지 수준 사이를 ‘점프’하는 양자 상태가 되기 때문이다. 이를 양자 홀 효과라고 한다. 양자 홀 효과에서 양자화된 전자들이 상호작용할 수 있는 조건을 만족하면 서로 간섭하면서 집단적으로 움직이는 모습을 보인다</p>
          <p dmcf-pid="XGCf8TrRD1" dmcf-ptype="general">장차운 KIST 스핀융합연구단 선임연구원은 “이때 개별 전자의 전하량을 계산해 보니 ‘―2/3’ ‘―3/5’와 같이 분수 형태로 나타나는 ‘분수 양자 홀 효과(FQHE)’가 발견된 것”이라며 “작년 MoTe2와 그래핀 연구에서 나타난 FQHE는 외부 자기장이 없는 조건이었다는 게 주목할 부분”이라고 설명했다.</p>
          <p dmcf-pid="ZHh46ymes5" dmcf-ptype="general"><strong>● 물질 구조 특성만으로도 ‘분수 전하’ 현상 발견</strong></p>
          <p dmcf-pid="5Xl8PWsdOZ" dmcf-ptype="general">1982년 처음 발견된 FQHE의 핵심은 강력한 자기장이지만 당시 외부 자기장이 없어도 FQHE가 일어날 수 있다는 가능성도 제기됐다. 이후 2012년 중국 칭화대 연구팀이 얇은 강자성 필름에서 이를 처음 관찰했다. 외부 자기장이 없다는 특징 때문에 FQHE에서 ‘변칙(Anomalous)’을 넣은 분수 양자 변칙 홀 효과(FQAHE)라는 이름이 붙었다.</p>
          <p dmcf-pid="1tyxRXhLsX" dmcf-ptype="general">지난해 5월 쉬샤오둥 미국 워싱턴대 물리학부 교수팀은 얇은 MoTe2 물질 층 2장의 각도를 약 4도 비틀어 쌓아 FQAHE를 관찰하는 데 성공했다. 원자들의 특별한 배열 구조가 강력한 자기장 없이도 전자를 분수 전하처럼 행동하게 하는 데 영향을 준 것이다.</p>
          <p dmcf-pid="tFWMeZlosH" dmcf-ptype="general">올해 2월 쥐룽 MIT 물리학과 교수팀은 그래핀 덩어리에서 특정 배열의 그래핀 5장을 떼어내 질화붕소(BN)층 사이에 끼웠다. 그래핀과 질화붕소층은 둘 다 원자가 육각형 모양으로 연결된 패턴이지만 육각형 격자의 크기는 질화붕소가 약간 더 크다. 연구팀은 이런 미세한 불일치 패턴 덕분에 FQAHE가 나타났다고 설명했다.</p>
          <p dmcf-pid="F3YRd5SgEG" dmcf-ptype="general"><strong>● 양자컴퓨터 성능 개선에 활용될 가능성</strong></p>
          <p dmcf-pid="3nPvyeVZOY" dmcf-ptype="general">현재 과학자들은 정확히 어떤 구조에서 전자가 외부 자기장 없이도 FQAHE를 보이는지 아직 밝혀내지 못해 계속 논의 중이다. 그래핀 외에 FQAHE를 보이는 다른 재료를 찾으려는 노력도 진행되고 있다. FQAHE는 양자컴퓨터의 한 종류인 ‘위상(Topological) 양자컴퓨터’에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다.</p>
          <p dmcf-pid="0LQTWdf5sW" dmcf-ptype="general">양자컴퓨터는 양자 정보가 주변 환경의 영향을 받아 쉽게 일어나는 양자 정보의 오류를 개선하는 게 핵심 과제다. 이를 해결하기 위해 제시된 개념이 위상 양자컴퓨터다. 미국 마이크로소프트사에서 주도적으로 투자하는 양자컴퓨터 방식이다. </p>
          <p dmcf-pid="poxyYJ41sy" dmcf-ptype="general">장 연구원은 “전자가 집단적으로 움직이는 분수 양자 홀 효과를 통해 위상 양자컴퓨터에서 안정적인 양자 정보를 구현할 수 있을 것으로 기대된다”고 설명했다. 또 “그동안 FQHE를 구현하려면 강한 자기장을 주어야 하고 재료를 구하기 어렵다는 게 까다로운 점이었다”며 “아직 그래핀에서 나타난 FQAHE가 양자컴퓨터에 쓰일 수 있는지 밝혀진 건 아니지만 상대적으로 접근하기 쉬운 재료인 그래핀에서 FQAHE가 발견되어 물리학자들이 주목하게 된 것”이라고 분석했다.</p>
          <p dmcf-pid="UNeGXLP3OT" dmcf-ptype="general">이병구 동아사이언스 기자 2bottle9@donga.com<br> </p>
         </section> 
        </div> 
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