과학자들이 양자 임계 물질에서 양자 얽힘의 역할에 대한 직접적인 증거를 제시했다.

미국과 오스트리아 공동 연구팀은 양자 임계(quantum criticality) ‘특이 금속(strange metal)’에서 수십 억과 수십 억(billions of billions)의 양자 얽힘 전자 흐름을 관찰했다.

17일(현지시각) 사이언스 저널에 게재된 논문에서는 이테르븀(Ytterbium), 로듐( Rhodium) 및 실리콘 포함 특이 금속 화합물(YbRh2Si2)의 전자적, 자기적 거동을 관찰해 두 개의 잘 연구된 양자 상 경계에서 임계 전이(critical transition)를 포착했음을 보고했다.

미국 라이스대학(Rice University)과 오스트리아 비엔나공대(TU Wien) 과학자들의 연구는 양자 임계에서 양자 얽힘의 역할을 뒷받침하는 매우 강력한 증거를 제공한다.

양자 얽힘(Quantum Entanglement)이 거시적 수준에서 관찰 가능한 영향을 미치지 않는다는 통념은 이 연구에 의해 도전을 받게 됐다. 이는 수십 억, 수십 억 개의 양자 물리적(Quantum Mechanical) 물체를 포함하는 금속 필름에서도 얽힘의 영향을 볼 수 있는 기회를 제공한다.

연구원들은 로듐과 실리콘 분자 두 개에 대해 이테르븀 한 개 분자를 포함하는 ‘YbRh2Si2’ 재질 초 순수 필름을 생산하기 위해 매우 복잡한 재료 합성 기술을 개발해야 했다. 절대 0도 온도에서 물질은 자기(magnetic) 순서를 갖는 하나의 양자 상에서 그렇지 않은 것으로 양자 전이된다.

연구진은 1.4켈빈(Kelvin)의 절대 0도에 가까운 낮은 온도에서 혼합 금속 필름에 대해 테라 헤르츠(terahertz) 분광학 실험을 수행했다. 테라 헤르츠 측정은 YbRh2Si2 필름이 하나의 양자 상에서 다른 양자 상으로의 전이를 나타내는 양자 임계점으로 냉각됨에 따라 ‘YbRh2Si2’막의 광학 전도성을 나타냈다.

비엔나 공대 고체물리 연구소의 교신저자 실케 불러 파스첸(Silke Bühler-Paschen)은“특이 금속에서는 전기 저항과 온도 사이에 특이한 연결이 있다”며 “구리 또는 금과 같은 단순한 금속과 달리, 이것은 원자의 열 이동 때문이 아니라 절대 0도에서의 양자 변동 때문인 것으로 보인다”고 말했다.

이 연구는 양자 컴퓨팅 및 통신과 같은 분야의 미래 기술에 큰 영향을 미칠 수 있다. 얽힘(Entanglement)은 양자 컴퓨팅에서 정보 저장의 기초로 이 연구는 관련 분야에서 실질적인 자산이 될 수 있다. 재료의 전자기적 특성은 연구자들에게 특별한 관심 대상이다.

라이스대 이론물리학자 키아모 시(Qimiao Si)가 이끄는 RCQM(Rice Center for Quantum Materials) 연구 목표는 양자 위상이 변하면서 특이 금속과 고온 초전도체에 어떤 일이 발생하는지 조사하는 것이다. 금속의 특성을 테스트하고, 허용 오차를 이해하는 것이다.

양자 특성을 테스트하는 동안 특이 금속 필름에서 관찰된 양자 얽힘과 관련한 몇 가지 사항은 다음과 같다.

1. 이 물질은 필름 온도가 임계 양자 레벨에 도달할 때, 한 단계에서 다른 단계로 전이 위상차로 냉각될 때 광학적으로 전도성을 띈다.

2. 특이 금속에서 전기 저항과 온도의 관계는 상식적이지 않다. 극저온은 열에 반응하는 단순한 금속과 비교할 때 같은 물질의 양자 플럭스를 초래한다.

3. 절대 0도 일 때 전이 단계를 나타내는 “frequency over temperature scaling”경향이 있었다.

4. 자기 양자 임계점(magnetic quantum critical point)에 도달하면, 스핀 섹터는 임계 상태에 있지만 그것은 양자 얽힘 입자에 따라 변한다.

시 박사는 “양자 얽힘은 양자 정보의 저장 및 처리의 기초이며 동시에 양자 임계도는 고온 초전도성을 유도하는 것으로 여겨진다”며 “연구 결과에 따르면 동일한 기본 물리-양자 임계점은 양자 정보와 고온 초전도 모두를 위한 플랫폼으로 이어질 수 있다”고 설명했다.

*reference

Singular charge fluctuations at a magnetic quantum critical point