양자 시스템에서 전자 상호 작용 특성에 대한 새로운 시각을 제시하는 미래 양자 컴퓨팅 잠재 플랫폼이 확립됐다.

미국 브라운 대학과 컬럼비아 대학 연구자들은 2차원 나노 물질 그래핀 이중층 스택에서 발생하는 미지의 물성을 증명했다. 분수 양자홀 효과(fractional quantum hall effect)로 알려진 새 상태는 그래핀 층 내부와 전자의 복잡한 상호작용에서 발생한다.

브라운대 물리학 조교수 지아 리(Jia Li)는 “이번 연구 결과는 2D 물질을 서로 가까이에 쌓아 올리면 완전히 새로운 물리학을 생성한다는 것을 보여주었다”고 말했다.

그는 브라운대 물리학 교수 코리 딘(Cory Dean) 연구실에서 박사후 과정중 이 연구를 이끌었다. 함께 연구에 참여한 콜럼비아대 기계공학 교수 짐 혼(Jim Hone)은 “재료 공학 측면에서 볼 때,이 연구는 적층 시스템이 새로운 양자 홀 상태를 이용하는 새로운 유형의 전자 장치를 만들 수 있다는 것을 보여준다”고 말했다.

이 연구는 네치처 피직스(Nature Physics) 저널에 발표됐다.

새로운 양자 홀 상태의 일부는 내결함성 양자 컴퓨터를 만드는 데 유용 할 수있다. 홀 효과는 전류가 전류 흐름에 수직 방향으로 전도성 물질에 자기장이 가해질 때 나타난다. 자기장은 전류를 편향시켜 홀 전압이라고 불리는 수평 방향 전압을 생성한다. 홀 전압의 강도는 자기장의 세기에 따라 증가한다. 홀 효과의 양자 버전은 저온 및 강한 자기장에서 1980년에 수행 된 실험에서 처음 발견됐다. 실험 결과, 자기장 강도가 증가함에 따라 홀 전압이 계단식 (또는 양자화 된 방식)으로 증가했다.

이 단계는 다수의 자연 근본 상수를 통합, 실험에 사용하는 재료의 물리적 구성과는 완전히 독립적이다. 이 발견은 1985년 노벨 물리학상을 수상했다.

몇 년 후, 절대 영도에 가까운 온도에서 작업한 연구원들은 매우 강한 자기장을 가지고 홀 전압의 양자 단계에 해당하는 새로운 유형의 양자 홀 효과(Hall effect)를 발견, 분수 양자 홀 효과(fractional quantum Hall effect)라고 칭했다. 이론가들은 부분 양자 홀 효과가 복합 페르미온 (composite fermions)이라고 불리는 준 – 입자(quasi-particles) 형성과 관련이 있다고 가정했다.

복합 페르미온 이론은 단일 양자 우물 시스템에서 관찰되는 무수한 현상을 설명하는데 성공적이었다. 이 새로운 연구는 두 개의 양자 우물을 가까이 가져갈 때 일어나는 일을 조사하기 위해 이중층 그래 핀을 사용했다. 이론은 두 층 사이의 상호 작용이 새로운 형태의 복합 페르미온을 유도 할 것이라고 제안했으나 이것은 실험에서 관찰 된 적이 없다.

실험에서 연구팀은 콜럼비아대에서 수년간의 작업을 통해 그라핀 장치의 품질을 개선, 평면 2D 재료로 완벽하게 깨끗한 장치를 만들었다. 구조의 핵심은 단열 장벽으로 육각 질화 붕소(hexagonal boron nitride)의 얇은 층으로 분리 된 두 개의 그래핀 층으로 구성된다. 이중층 구조는 보호 절연체인 육각 질화 붕소에 의해 캡슐화되고 전도 게이트인 그래핀은 채널 내의 전하 캐리어 밀도를 변화시킨다.

컬럼비아대 딘 교수는 “다시 한 번 그래핀의 놀라운 다양성 덕분에 이전에 가능했던 것 이상으로 장치 구조의 한계를 뛰어 넘을 수있었다”며 “우리가 이러한 장치를 만들 수있는 정확성과 조정 가능성은 이제 접근불가능 하다고 여기던 물리학의 전체 영역을 탐구 할 수있게됐다”고 말했다.

그래핀 구조는 지구의 자기장보다 수백만 배 강한 강한 자기장에 노출됐다. 이 연구는 분수 양자 홀 상태(fractional quantum hall states)의 범위를 만들었는데, 그 중 일부는 복합 페르미온 모델과 탁월한 수준에서 일치했다.

컬럼비아의 공동 저자이자 박사후 연구원 치안후이 시(Qianhui Shi)는 “층간 복합체 페르미온과는 별도로 복합 페르미온 모델에서 설명 할 수없는 다른 특징들을 관찰했다”며 “더 신중한 연구 결과에 따르면 놀랍게도 이러한 새로운 상태는 복합 페르미온 간의 페어링에 기인 한 것으로 밝혀졌다. 인접한 레이어와 동일한 레이어 내에서 쌍을 이루는 상호 작용은 새로운 양자 현상을 유발한다”고 설명했다.

혼은 “특히 일부 새 상태는 비아벨리안 파동함수(non-Abelian wave functions)를 호스팅 할 잠재성이있는데, 이는 전통적인 복합 페르미온 모델에 맞지 않는 상태”라고 말했다. 비아벨리안 상태에서는 전자가 서로 상대적인 과거 위치의 일종의 “기억”을 유지한다. 이는 현재 양자 컴퓨팅 분야의 주요 걸림돌인 오류 수정이 필요하지 않은 퀀텀 컴퓨터를 구현할 수있는 잠재성을 지닌다.

딘은 “이들은 30년 만에 처음으로 비아벨리언 상태를 위한 새로운 후보자들”이라고 말했다.

관련 연구논문 ‘이중층 그래 핀에서 복합 페르미온의 상태와 페어링(Pairing states of composite fermions in double-layer graphene)’이다.