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[IT뉴스]'질량 무한대' 전자 품은 2차원 물질 첫 구현…양자기술 새 가능성[과학을읽다]

온카뱅크관리자

2026-10-21 09:47:25

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div>  <strong class="summary_view" data-translation="true">40여년 연구된 카고메 단일층 구현…특이한 전자 상태 확인<br>전자 밀도 기존보다 220배 이상…고온 양자현상 구현 기대</strong> 
        <div class="article_view" data-translation-body="true" data-tiara-layer="article_body" data-tiara-action-name="본문이미지확대_클릭"> 
         <section dmcf-sid="YKSeDm9UAF">
          <p contents-hash="59ef86988b75f5e499ad2682b6be8f84a3af525f79b47d196b9cb0e1677416c5" dmcf-pid="GVyimIfzct" dmcf-ptype="general">질량이 없는 것처럼 움직이는 전자를 지닌 그래핀과 정반대로, 전자가 무한히 무거운 것처럼 행동하는 새로운 2차원 물질이 구현됐다. 1980년대부터 이론적으로 연구돼 온 특이한 전자 상태를 실제 물질에서 확인한 것이다. 극저온에서만 구현되던 일부 양자현상을 더 높은 온도에서 실현할 가능성이 열렸지만, 상온 양자컴퓨터 개발까지는 추가 검증이 필요하다.</p>
          <div contents-hash="8bc775e5605a98570561f4a20b66c51effdca2c4f5f4c2f334db5ee03b409f22" dmcf-pid="HfWnsC4qA1" dmcf-ptype="general">
           <p>서울대학교는 21일 강민구 물리천문학부 교수 공동연구팀이 '질량이 무한대인 전자'의 특성을 갖는 2차원 물질 '카고민(Kagomene)'을 세계 최초로 구현했다고 밝혔다. 이번 연구에는 조길영 한국과학기술원(KAIST) 교수팀과 박재훈 포항공과대학교(POSTECH) 교수팀 등 국내외 연구진이 참여했다.</p>
          </div>
          <figure class="figure_frm origin_fig" contents-hash="0c6cb1528b76dabe99a2d53a9d7aea8affbcd293776be96ea5233a94110b4589" dmcf-pid="X4YLOh8Ba5" dmcf-ptype="figure">
           <p class="link_figure"><img alt="서울대 공동연구팀이 세계 최초로 구현한 2차원 물질 '카고민(Kagomene)'과 이 물질에서 나타나는 '질량이 무한대인 전자'의 특성을 표현한 모식도. 실제 전자의 질량이 무한대로 커지는 것이 아니라, 특정 에너지 상태에서 전자가 움직이기 어려워지는 현상을 나타낸다. 연구진 제공." class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202610/21/akn/20261021093757534pndo.jpg" data-org-width="346" dmcf-mid="yKQVLa0Hc0" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img4.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202610/21/akn/20261021093757534pndo.jpg" width="658"></p>
           <figcaption class="txt_caption default_figure">
            서울대 공동연구팀이 세계 최초로 구현한 2차원 물질 '카고민(Kagomene)'과 이 물질에서 나타나는 '질량이 무한대인 전자'의 특성을 표현한 모식도. 실제 전자의 질량이 무한대로 커지는 것이 아니라, 특정 에너지 상태에서 전자가 움직이기 어려워지는 현상을 나타낸다. 연구진 제공.
           </figcaption>
          </figure>
          <p contents-hash="9058c04710d6b5094e5fee334049abb25c7966151d7985cda93821e7bd33b105" dmcf-pid="Z8GoIl6bAZ" dmcf-ptype="general">카고민의 핵심은 전자가 움직이는 방식에 있다. 일반적으로 전자는 물질 내부에서 에너지에 따라 이동하지만, 카고민에서는 전자의 에너지가 운동량에 따라 거의 변하지 않는 '평탄 밴드(flat band)'가 나타난다. 이 상태에서는 전자가 움직이기 어려워져 마치 질량이 무한대인 것처럼 행동한다. 실제 전자의 질량이 무한대로 커지는 것은 아니다.</p>
          <p contents-hash="6c90f7c8c623acee8c8a766fae744a589bbfc8afd7feccea466d73f9e6225549" dmcf-pid="56HgCSPKjX" dmcf-ptype="general">이러한 특성은 전자 사이의 상호작용을 강화해 초전도나 특이한 자성 등 새로운 양자현상이 나타날 수 있는 환경을 만든다. 다만 기존 카고메 격자 물질은 원자층 사이의 결합이나 복잡한 전자구조 때문에 이상적인 2차원 상태를 구현하기 어려웠다.</p>
          <p contents-hash="0a289a8eba80143e707c4929e9ba22881d07202a96ec84b4821dfe52ac2700a0" dmcf-pid="1PXahvQ9gH" dmcf-ptype="general">연구팀은 원자층 사이의 결합이 약한 반데르발스 물질 계열에서 새로운 카고메 격자 구조를 찾아냈다. 이를 원자층 하나 두께로 분리한 뒤 4세대 방사광가속기를 이용한 나노 각도분해 광전자분광법(nano-ARPES)으로 전자의 에너지 구조를 분석했다. 그 결과 단일층에서도 평탄 밴드가 유지된다는 사실을 직접 확인했다.</p>
          <p contents-hash="cfc6c7c91ef95a4ac58d04bae7f5d475e649d9e6ecd48d0bb3e786e37dc1b085" dmcf-pid="tQZNlTx2jG" dmcf-ptype="general">특히 기존 모아레 초격자 기반 물질과 비교해 평탄 밴드에 수용할 수 있는 전자 밀도가 220배 이상 높았다. 전자들이 훨씬 좁은 공간에 밀집할 수 있어 전자 간 상호작용에 따른 양자현상이 더 높은 에너지와 온도에서 나타날 가능성을 보여준 것이다.</p>
          <p contents-hash="e5ec6fd595321cc9ea7f80e6adf70494aff2f00f27b222534dffd766264eb89d" dmcf-pid="Fx5jSyMVaY" dmcf-ptype="general"><strong><strong><strong>극저온 넘어 고온 양자현상 가능성…실제 구현은 후속 과제</strong></strong></strong></p>
          <p contents-hash="59ce411188ac18fdf23dab200d5dabc6a3bf02ea4d44d6bc457307ccae471a33" dmcf-pid="3M1AvWRfkW" dmcf-ptype="general">연구팀은 이 물질을 이용하면 기존보다 높은 온도에서 특이한 양자상태를 구현할 수 있을 것으로 내다봤다. 대표적인 사례가 '애니온(anyon)'이다. 애니온은 일반적인 전자나 광자와 다른 교환 특성을 갖는 2차원 양자계의 준입자로, 오류에 강한 양자컴퓨팅을 구현할 후보로 연구되고 있다.</p>
          <div contents-hash="e4236b1a1c634f6b003fe7dd8cd7a29fab2f8aa3658d22a5399ca65b60b089c7" dmcf-pid="0RtcTYe4ay" dmcf-ptype="general">
           <p>연구팀은 이론 계산을 통해 카고민 계열 물질에서 분수 양자 비정상 홀 상태가 나타날 가능성을 분석했다. 계산 결과 기존 모아레 기반 물질보다 해당 양자상태의 에너지 간격이 커져 더 높은 온도에서도 안정적으로 유지될 가능성이 제시됐다.</p>
          </div>
          <figure class="figure_frm origin_fig" contents-hash="5fdb21aa46457e2102ac384e9d2017eff35182dd599abd5958bc3c1bfde66f3d" dmcf-pid="peFkyGd8gT" dmcf-ptype="figure">
           <p class="link_figure"><img alt="서울대 공동연구팀이 구현한 2차원 카고메 격자 물질의 구조와 특성. 기존 카고메 물질과 달리 원자층 사이의 결합이 약해 단일층으로 분리할 수 있으며, 특이한 전자 상태인 '평탄 밴드'가 나타난다. Nature Physics 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202610/21/akn/20261021093758791igal.jpg" data-org-width="745" dmcf-mid="WletV8Src3" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img2.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202610/21/akn/20261021093758791igal.jpg" width="658"></p>
           <figcaption class="txt_caption default_figure">
            서울대 공동연구팀이 구현한 2차원 카고메 격자 물질의 구조와 특성. 기존 카고메 물질과 달리 원자층 사이의 결합이 약해 단일층으로 분리할 수 있으며, 특이한 전자 상태인 '평탄 밴드'가 나타난다. Nature Physics 제공
           </figcaption>
          </figure>
          <p contents-hash="bfe119ba82801012bc7c67c7dd14a48839a079d57d28f147a13940aa274c9c9e" dmcf-pid="Ud3EWHJ6jv" dmcf-ptype="general">서울대는 기존 2.5K(약 영하 270.7℃) 이하에서 관측된 관련 양자현상을 카고민에서는 280K(약 영상 6.9℃) 이상의 온도에서도 구현할 가능성이 있다고 설명했다. 다만 이는 이론적 전망으로, 연구팀이 해당 온도에서 애니온이나 양자컴퓨팅을 실제 구현한 것은 아니다.</p>
          <p contents-hash="7d33f882e8f3a9a881a2ec6e80571638ed5c99d23222093396d85cc78d82baee" dmcf-pid="uJ0DYXiPcS" dmcf-ptype="general">이번 연구의 제1저자인 봉형근 서울대 석박사통합과정생은 "본 연구진은 최근 개발된 4세대 방사광가속기 기반의 나노 각도분해 광전자 분광 기술에 국내 유일의 전문성을 가지고 있으며 이를 통해 질량이 무한대인 전자를 직접적으로 측정할 수 있었다"고 밝혔다.</p>
          <p contents-hash="79ef93b4defb2cbe45b0eef5aa021da343426cf9da8a727fb4a9e9334df3075e" dmcf-pid="7IxZKVCEjl" dmcf-ptype="general">강민구 서울대 교수는 "카고민이 가진 가능성은 무궁무진하다"며 "향후 카고민을 기반으로 차세대 양자소자를 제작하고 핵심 양자현상과 양자기술을 상온에서 구현하는 연구를 개척할 계획"이라고 말했다.</p>
          <p contents-hash="0e0ef88c7befaaeb66bf6aff3ec69c0711f61fd2ad4ebc304e56044a9cb1b5d4" dmcf-pid="zCM59fhDNh" dmcf-ptype="general">이번 연구 결과는 국제학술지 '네이처 피직스(Nature Physics)'에 지난 15일 게재됐다.</p>
          <p contents-hash="08cb90b04de22f7694e573adc7867b5db9b3ab1644c9c12afb8469e3e81d92ee" dmcf-pid="qhR124lwAC" dmcf-ptype="general">김종화 기자 justin@asiae.co.kr</p>
         </section> 
        </div> 
        <p class="" data-translation="true">Copyright © 아시아경제. 무단전재 및 재배포 금지.</p>

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