두께 0.7나노미터에 불과한 양자 물질
서울대학교가 이끄는 연구팀이 카고멘이라는 원자 한 층 두께의 카고메 물질을 개발했다고 밝혔다. 이 물질의 평탄 밴드 전자 밀도는 원자층을 겹쳐 만든 기존 인공 시스템보다 220배 이상 높다. 두께가 약 0.7나노미터인 이 물질은 주변 원자의 배열로 인해 움직임이 크게 억제되는 전자를 연구할 새로운 방법을 제시한다.
목차
연구 결과는 2026년 10월 15일 네이처 피직스에 발표됐다. 연구팀에는 서울대학교 물리천문학부의 강민구, 한국과학기술원(KAIST)의 조길영, 포항공과대학교의 박재훈이 참여했다.
연구진은 이 물질의 특이한 전자 구조를 직접 측정하고 외부 전압을 이용해 전기적 상태를 바꿨다. 궁극적인 목표는 현재 관련 실험에 쓰이는 온도보다 훨씬 높은 온도에서 작동할 수 있는 양자 소자를 개발하는 것이다.
이 목표를 뒷받침하는 핵심 수치는 280켈빈, 섭씨 약 6.9도다. 물이 어는점보다는 높지만 일반적인 실내 온도보다는 낮다. 이 수치는 물질의 에너지 척도를 바탕으로 추산한 값이다. 이 온도에서 애니온과 제안된 양자 상태가 존재할 수 있는지는 아직 실험으로 확인해야 한다.
논문이 입증한 내용
연구팀의 네이처 피직스 논문은 「고온 평탄 밴드 물리를 위한 단층 반데르발스 카고메 격자」라는 제목으로 A2T3X4로 표기되는 화합물군을 설명한다. 이 식에서 A는 알칼리 금속, T는 전이 금속, X는 칼코젠을 뜻한다.
논문은 이상적인 2차원 카고메 격자가 단일 층에서도 유지된다고 보고했다. 평탄 밴드는 페르미 준위 바로 아래에 자리한다. 페르미 준위는 어떤 전자 상태가 점유됐는지를 설명할 때 물리학자들이 사용하는 에너지 기준이다. 전압을 가하면 밴드를 페르미 준위까지 끌어올릴 수 있어 연구진은 평탄 밴드가 부분적으로 채워진 영역을 살펴볼 수 있다.
이 연구 결과는 얇은 물질을 만들고, 특이한 전자 구조를 측정한 뒤, 전기적으로 구조를 조절하는 세 가지 실용적 단계를 연결한다. 이를 통해 전자 사이의 상호작용이 강해지는 현상을 조사할 실험 플랫폼이 마련됐다.
주요 일정은 다음과 같다.
- 1980년 무렵부터: 카고메 평탄 밴드와 관련된 특이한 전자 거동을 이론적으로 연구했다.
- 2026년 10월 15일: 연구 결과가 네이처 피직스에 발표됐다.
- 2026년 10월 21일: 서울대학교가 연구 결과를 발표했다.
삼각형과 육각형이 전자의 움직임을 늦추는 원리
카고멘이라는 이름은 삼각형과 육각형이 반복적으로 이어진 카고메 패턴에서 따왔다. 한 원자 두께로 만들 수 있는 또 다른 물질인 그래핀은 탄소 원자가 벌집 모양으로 배열돼 있다. 카고멘은 이와 다른 기하 구조로 인해 전자가 보일 수 있는 거동도 달라진다.
결정 속 전자는 부분적으로 파동처럼 움직인다. 카고메 격자에서는 서로 다른 경로를 따라 움직이는 파동이 간섭해 이동을 억제할 수 있다. 이런 기하 구조는 운동량이 변해도 전자 에너지가 거의 달라지지 않는 상태들의 범위, 즉 평탄 밴드를 만드는 데 기여한다.
물리학자들은 이런 거동을 유효질량으로 설명한다. 유효질량은 주변 원자와 다른 전자들이 전자의 움직임에 영향을 주는 물질 내부에서 전자가 어떻게 반응하는지를 나타낸다. 이상적으로 평탄한 밴드 근처에서는 유효질량이 극도로 커지며, 이상적인 수학적 설명에서는 무한대에 이른다.
전자 자체의 질량은 변하지 않는다. 그러나 이 특정한 원자 환경에서는 전자가 움직이기 매우 어려운 것처럼 반응한다. 카고멘에 무한대의 유효질량을 가진 전자가 있다는 표현은 이런 뜻이다.
연구팀이 단일 층을 구현한 방법
이전 카고메 연구는 주로 여러 원자층으로 된 벌크 물질에 초점을 맞췄다. 층 사이의 결합과 복잡한 전자 구조 때문에 이상적인 2차원 카고메 격자에서 예상되는 거동을 분리해 관찰하기 어려웠다.
연구팀은 층들이 비교적 약한 힘으로 결합된 반데르발스 물질군을 활용했다. 이 덕분에 두꺼운 결정에서 매우 얇은 조각을 분리할 수 있다. 연구팀이 만든 단일 층의 두께는 약 0.7나노미터로, 10억분의 1미터보다 얇다.
연구진은 미국과 영국의 방사광 시설에서 나노 집속 각분해 광전자분광법(nano-ARPES)을 이용해 전자를 조사했다. 빛을 쏘아 시료에서 전자를 방출시키고, 전자의 에너지와 방향을 측정해 전자 구조를 알아내는 기술이다.
작은 빛 반점을 이용하기 때문에 이 방법은 매우 작은 박편을 살피는 데 유용하다. 측정 결과 카고메 평탄 밴드는 단일 층 한계에서도 유지됐다. 이 연구는 이론상의 격자 설계를 직접 전기적으로 제어할 수 있을 만큼 얇은 물질로 구현했다.
전압으로 물질을 제어하다
외부 전압은 원자 배열 자체 외에 연구진이 활용할 수 있는 두 번째 도구였다. 정전기 게이팅으로 전자 상태를 조절해 평탄 밴드를 페르미 준위까지 끌어올릴 수 있었다.
평탄 밴드가 부분적으로 채워진 상태는 전자의 통상적인 이동 자유가 제한된 가운데 전자가 재배열될 여지가 있다는 점에서 특히 유용하다. 이런 조건에서는 전자의 거동을 결정하는 데 전자 간 상호작용이 더 큰 역할을 할 수 있다.
연구팀은 전기가 잘 흐르지 않는 절연 상태에서 금속 상태로의 전이를 관찰했다. 전압을 더 바꾸자 또 다른 절연 상태가 나타났다. 연구진은 새롭게 관찰된 절연 거동을 설명하는 데 전자 간 상호작용이 기여할 수 있다고 제안했으며, 정확한 원인을 밝히려면 추가 연구가 필요하다고 밝혔다.
미래의 소자 개발에서 전기적 제어는 실용적인 이점이 있다. 전압을 바꾸는 것만으로 같은 물질에서 여러 전자 상태를 살펴볼 수 있기 때문이다. 따라서 조건마다 다른 화합물을 준비하지 않고도 유용한 양자 거동을 탐색할 수 있다.
전자 밀도가 중요한 이유
카고멘의 평탄 밴드 전자 밀도는 비교 대상으로 삼은 기존 인공 평탄 밴드 시스템보다 220배 이상 높았다. 이런 시스템은 얇은 원자층을 약간 비틀거나 어긋나게 겹쳐 형성되는 모아레 패턴을 이용한다.
모아레 패턴은 더 큰 반복 구조를 만들어 전자의 움직임을 바꿀 수 있다. 반면 카고멘은 물질 자체의 원자 격자에서 평탄 밴드가 형성된다. 바탕이 되는 패턴이 훨씬 작아 평탄 밴드 전자를 더 높은 밀도로 모을 수 있다.
전자 움직임이 억제되면 전자 사이의 힘은 전자 운동에 비해 더 중요해진다. 연구진은 높은 밀도가 특성 에너지 척도가 더 큰 집단 양자 상태로 이어져 열에 의한 교란에 더 잘 견디게 할 수 있다고 본다.
이 비교는 조사한 시스템의 평탄 밴드 전자에 한정된다. 카고멘은 높은 전자 밀도에 단일 층 구조와 전압 제어를 결합해 여러 유용한 특성을 하나의 실험 플랫폼에 모았다는 점에서 실용적 가치가 있다.
280켈빈 전망의 의미
연구팀의 이론 분석은 물질을 가로지르는 분수 전기 반응과 관련된 특이한 집단 전자 상태인 분수 양자 이상 홀 상태를 다뤘다. 이런 상태는 애니온이라는 이색적인 들뜸을 뒷받침할 수 있어 관심을 끈다.
계산된 에너지 갭은 약 14~29밀리전자볼트로, 비교 대상으로 삼은 모아레 물질의 약 1~5밀리전자볼트보다 컸다. 에너지 갭은 양자 상태에서 특정 들뜸을 만들어내는 데 필요한 에너지다. 갭이 클수록 상태가 열로 인한 교란에 더 잘 견딜 수 있다.
온도 전망은 이 작은 에너지 값들을 열에너지 척도와 연관 지어 얻었다. 강민구는 이 계산을 바탕으로 약 280켈빈에 이르는 온도를 추산했다고 설명했다. 실제 작동 온도를 확인하려면 물질이 가열될 때 집단 상태가 어떻게 변하는지 실험해야 한다.
기존 애니온 구현 사례는 2.5켈빈 이하, 섭씨 약 영하 270.7도로 보고됐다. 280켈빈에 도달한다면 실험 조건이 크게 개선되는 셈이다. 당장의 연구 과제는 계산으로 예측한 유망한 에너지 갭을 측정 가능한 양자 거동과 연결하는 것이다.
애니온이 양자 컴퓨팅에 기여할 수 있는 것
애니온은 준입자, 즉 물질 속 집단적 교란이 입자처럼 행동하는 현상이다. 특정 2차원 전자 시스템에서 나타날 수 있으며, 그 거동은 전자 같은 익숙한 입자와 다르다.
일부 종류의 애니온은 위상 양자 컴퓨팅의 후보로 꼽힌다. 이 방식에서는 들뜸이 배열되고 서로 교환되는 방식과 관련된 집단적 특성에 정보를 저장할 수 있다. 특정한 국소적 교란이 저장된 정보를 손상시킬 가능성이 낮을 수 있다는 점이 장점이다.
강민구는 적합한 물질을 찾는 일이 이 접근법 개발의 주요 장애물이라고 말했다. 카고멘은 연구진이 전자 수를 조절하고 관련 집단 상태에 필요한 조건을 조사할 수 있는 새로운 후보 물질이다.
양자 컴퓨터를 구현하려면 유망한 기반 물질만으로는 충분하지 않다. 적합한 들뜸을 만들고, 제어하고, 그로부터 정보를 읽어내며, 오류를 관리해야 한다. 연구팀이 밝힌 다음 단계는 카고멘 기반 양자 소자를 만들고 실온에서 핵심 양자 현상과 기술을 구현하는 것이다.
핵심 내용
- 연구팀은 두께 약 0.7나노미터의 카고멘을 만들고 평탄 전자 밴드를 직접 측정했다.
- 연구 결과는 2026년 10월 15일 네이처 피직스에 발표됐다.
- 이 물질의 평탄 밴드 전자 밀도는 비교 대상으로 삼은 기존 모아레 시스템보다 220배 이상 높다.
- 외부 전압으로 절연 상태와 금속 상태 사이의 전이를 유도하고 평탄 밴드를 페르미 준위까지 조절했다.
- 계산 결과 제안된 양자 상태의 에너지 갭은 14~29밀리전자볼트로, 비교 대상의 1~5밀리전자볼트보다 컸다.
- 280켈빈은 섭씨 약 6.9도다. 더 높은 온도에서 제안된 상태를 입증하는 것은 향후 실험 목표다.
