상압에서 '전기저항 0' 물질 발견…양자컴퓨터 상용화 벽 넘는다

IBS 나노구조물리 연구단, 3차원 위상 디락 반금속 소재 KZnBi 발견
새로운 위상물질 탐색 및 양자컴퓨터 연구에 활용 기대

기초과학연구원(IBS) 나노구조물리 연구단이 발견한 3차원 위상 디락 반금속 소재 KZnBi. 사진제공=IBS

[아시아경제 김봉수 기자] 국내 연구진이 극저온 또는 진공 상태가 아닌 일반 상황에서도 전기 저항이 제로가 되는 소재를 발견해 양자컴퓨터 상용화를 위한 장애물 중 하나를 제거했다는 평가다.

양자컴퓨터는 양자 얽힘을 이용해 자료의 병렬 처리가 가능하다. 기존의 방식으로 수백년이 걸리는 계산을 몇 초 안에 해내는 성능을 갖출 것으로 예상된다. 그러나 극저온이나 진공 상태 등 까다로운 조건이 필요해 아직까지는 제작이 매우 어렵다.

12일 기초과학연구원(IBS)에 따르면 김성웅 나노구조물리연구단 연구위원 등 국제공동연구진은 최근 연구 결과 평상시 대기 상태(상압)에서도 전기저항이 0이 되는 초전도 상태를 보이는 새로운 3차원 위상 디락 반금속 소재(KZnBi)를 발견해 내 이같은 장벽을 허물 단초를 마련했다. 양자컴퓨터의 큐비트(0과 1이 동시에 존재하는 중첩된 상태)를 구현하려면 기존 물질들의 경우 극저온 또는 진공상태를 통해 초전도 상태를 만들어 내야 한다.

그러나 연구팀이 발견한 KZnBi는 평상시 대기압(상압) 상태에서 전력을 소비하지 않고도 전류를 흐르게(초전도성) 할 수 있다. 연구팀은 디락 입자가 존재하는 2차원 물질인 그래핀의 평면 벌집 구조에 착안했다. 이를 통해 층상으로 쌓아올린 3차원 평면 벌집 구조 물질 KZnBi 합성에 성공했다. 각분해 광전자 분광 실험 및 이론 계산을 통해 3차원 공간상에 질량이 거의 없는 디락 입자가 존재하는 것을 밝힌 것이다.

나아가 3차원 위상 디락 반금속 KZnBi 물질의 표면에서 상압 초전도 현상이 나타남도 확인했다. 임계 자기장 측정을 통해 KZnBi 표면에 기존의 초전도체와는 다른 초전도 특성을 보이는 것을 발견했다. 지금까지 발견된 3차원 위상 디락 반금속 물질에서는 초전도 현상이 없거나 매우 높은 압력에서만 나타났었다.

그러나 이번 연구로 보통 대기압과 같은 1기압 정도의 압력에서 전기저항이 0(영)이 되는 물질인 KZnBi가 발견됐다. 새로운 위상 물질 탐색은 물론, 양자컴퓨터 연구에 필수적인 위상 물질 기반 기술 개발에 응용될 것으로 기대된다.

김성웅 연구위원은 “디락 물질로 대표되는 2차원 그래핀 소재 형성 원리를 응용해 기존에 전혀 예측하지 못했던 물질을 발견했다”며 “기존 연구의 한계를 뛰어넘은 새로운 양자 물질 발견으로, 앞으로 위상 초전도체와 양자컴퓨터 연구에 새로운 방향성을 제시할 것”이라고 말했다.

이번 연구는 물리 분야 학술지 피지컬 리뷰 엑스 (Physical Review X, IF=12.577)지(誌)에 지난달 28일 게재됐다.