이론 속 ‘유령 광자’, 현실 고체에서 확인

세륨 지르코늄 산화물 결정, 3차원 양자 스핀 아이스 상태 구현

연구진 “수십 년 이론이 눈앞에서 살아 움직였다”

수십 년 동안 물리학자들의 머릿속에서만 존재하던 입자가 마침내 실험실에서 포착됐다. 이른바 ‘유령 광자’로 불리던 존재가 실제 고체 물질 속에서 모습을 드러낸 것이다.

미국 라이스대학교 펑청 다이(Pengcheng Dai) 교수 연구팀은 세륨 지르코늄 산화물(Ce₂Zr₂O₇) 결정에서 ‘창발적 광자(Emergent Photon)’와 ‘분획화된 스핀 들뜸(Fractionalized Spin Excitations)’ 현상을 직접 관측하는 데 성공했다. 이는 향후 전력 손실 제어 송전 시스템, 차세대 양자 소자 개발에 활용될 수 있다.

이번 연구는 과학 저널 Nature Physics에 최근 게재됐다.

이 발견은 오랫동안 이론으로만 논의돼 왔던 ‘양자 스핀 아이스(Quantum Spin Ice)’ 상태가 실제 물질에서 구현될 수 있음을 보여주는 결정적인 증거다. 학계에서는 이번 성과를 “논문으로만 존재하던 세계가 현실로 튀어나온 순간”이라고 평가한다.

절대영도에서 요동치는 ‘양자 스핀 액체’

우리가 아는 일반적인 자석은 온도가 낮아질수록 내부의 스핀(자기적 방향)이 한 방향으로 가지런히 정렬된다. 하지만 양자 스핀 액체(quantum spin liquid)는 정반대다. 온도가 절대영도에 가까워져도 입자들은 끝내 정렬을 거부한다.

그 대신, 이들은 서로 강하게 얽힌 양자 상태를 유지하며 집단적으로 끊임없이 요동친다. 마치 얼지 않고 흐르는 액체처럼 보인다고 해서 이런 이름이 붙었다.

이 특이한 상태는 단순한 학문적 호기심을 넘어, 에너지 손실 없는 전력 전송이나 오류가 거의 없는 양자 컴퓨터 구현의 핵심 재료로 주목받고 있다. 문제는, 그 존재를 명확히 증명하는 것이 극도로 어려웠다는 점이다.

결정적 한 수, ‘편광 중성자 산란’

연구팀은 이 난제를 풀기 위해 관측 기술부터 다시 점검했다. 그동안 미세한 신호는 실험 잡음에 가려 번번이 사라졌다. 이에 연구진은 두 가지 정밀 기법을 결합했다.

먼저 편광 중성자 산란 기법을 활용해 불필요한 신호를 제거하고, 오직 자기적 산란 신호만을 정밀하게 추출했다. 여기에 비열 측정을 더해, 관측된 창발적 광자가 고체 내부에서 마치 소리가 퍼져 나가듯 분산된다는 이론적 예측까지 검증했다.

이 두 방법의 조합은, 그동안 보이지 않던 세계의 문을 여는 열쇠가 됐다.

이번 연구의 제1저자인 빈 가오(Bin Gao) 박사는 “수십 년간 축적된 이론적 기대가 실험으로 확인된 놀라운 순간”이라고 소감을 밝혔다.

연구의 핵심 성과는 크게 세가지다. 첫째, 고체 내부에서 빛처럼 행동하는 가상의 입자를 실제로 확인함으로써, 물질의 새로운 상태를 정의했다. 둘째, Ce₂Zr₂O₇ 결정이 ‘깨끗한’ 3차원 양자 스핀 아이스임을 입증하며 오랜 학술 논쟁에 종지부를 찍었다. 셋째, 극한의 양자 환경에서 물질이 어떻게 행동하는지에 대한 이해를 넓혀, 미래 기술의 토대를 마련했다.

이번 연구에는 토론토대학교, 비엔나 공과대학교, 폴 셰러 연구소 등 유럽과 북미의 주요 연구기관들이 함께 참여했다. 연구비는 미국 에너지부(DOE)를 비롯해 무어 재단, 웰치 재단의 지원을 받았다.

*창발적 광자(Emergent Photon)

창발적 광자는 빛의 입자인 실제 광자가 아니라, 특정 고체 물질 내부에서 수많은 스핀들이 집단적으로 상호작용하며 만들어내는 준입자다. 물리학에서 ‘창발(Emergent)’이란 개별 입자 하나하나에는 존재하지 않던 성질이, 집단적 움직임 속에서 전혀 새로운 법칙처럼 나타나는 현상을 뜻한다.

이 가상의 광자는 실제 빛처럼 행동하지만, 진공이 아니라 오직 해당 고체 물질 내부에서만 존재하고 이동할 수 있다는 점에서 결정적인 차이가 있다. 그럼에도 이번 연구에서 이러한 창발적 광자가 실험적으로 관측됐다는 사실은, 고체 안에 우리 우주와는 다른 형태의 ‘내부 전자기학’이 작동하는 또 하나의 물리적 세계가 있음을 보여준다. 빛과 전자기 현상을 설명하는 맥스웰 방정식과 매우 유사하다는 측면에서다. 이는 외부 간섭에 강한 위상학적 양자 상태를 활용한 차세대 양자 컴퓨터, 나아가 열 손실 없이 에너지를 전달하는 새로운 소자 설계로 이어질 수 있는 가능성을 열어준다. 요컨대 창발적 광자는 고체 속 스핀들의 집단적 ‘춤’이 만들어낸, 빛을 닮은 파동이며, 미래 양자 기술의 핵심 열쇠로 주목받고 있다.