지하철 2호선의 "유레카"…양자얽힘 엑시톤 첫 발견
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송종란
작성일20-07-21 04:02
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서울대-연세대-서강대-고등과학원, 네이처에 새로운 양자현상 발표[아이뉴스24 최상국 기자] 하나의 전자가 여러 원자에 나뉘어 존재하는 '양자 다체 상태'가 처음으로 발견됐다.
박제근 서울대 물리천문학부 교수(IBS 강상관계물질연구단 前부연구단장) 연구팀은 지난 2016년 2차원 자성(磁性) 물질의 빛 방출 실험을 하던 중 특정 에너지대에서 비정상적으로 강한 빛을 내는 엑시톤(exciton, 전자와 양공으로 이루어진 입자)을 발견했다.
이후 약 5년 동안 서강대 정현식 교수, 연세대 김재훈 교수, 고등과학원 손영우 교수 등이 서로 다른 방식의 실험과 계산을 통해 이 특이한 현상을 연구한 결과 '전자 한 개가 여러 원자에 나뉘어 존재하는 양자다체상태의 새로운 엑시톤(Coherent many-body exciton)'이라는 결론을 내렸다고 밝혔다.
그동안 예측된 적이 없는 새로운 양자현상이, 양자 상태에서 빛을 방출하는 엑시톤에서 발견됨에 따라 양자광원을 이용하는 양자정보통신 기술에서 획기적인 전기가 될 것으로 기대된다.
이 연구는 21일 자정 세계적 학술지인 네이처(Nature)를 통해 공개됐다.
양자 다체 자성 엑시톤 연구진 공동교신저자. (왼쪽부터) 곽제근 교수(서울대 물리천문학부), 정현식 교수(서강대 물리학과), 김재훈 교수(연세대 물리학과), 손영우 교수(고등과학원 계산과학부) [과기정통부 제공]
◆양자얽힘 상태의 엑시톤을 처음으로 발견하다
엑시톤은 자유전자와 양공(전자가 빠져나간 빈자리)으로 이루어진 입자다. 절연체에 빛을 쪼이면 원자에 속박된 전자가 들뜬 상태가 돼 양공 주위를 돈다. 엑시톤을 이루는 전자와 양공이 다시 만나면 빛을 방출하고 바닥상태로 돌아간다. 엑시톤의 존재는 이 빛을 감지함으로써 알 수 있다.
연구진은 2차원 자성물질인 삼황화린니켈(NiPS3)을 대상으로 한 빛 방출 실험에서 1.5 eV 근처에 매우 뾰족한, 통상적인 수준보다 수백 배 좁게 분포하는 신호가 존재하는 것을 확인했다. 1.5 eV 에너지대에서 결맞음성(coherence)이 매우 강한 엑시톤 신호를 발견한 것이다.
당시 이 결과를 본 정현식 교수(서강대)가 "내 평생 이렇게 뾰족한 피크는 처음 본다"고 말할 정도로 이상했고, 기존의 어떤 지식으로도 설명되지 않았다.
연구팀은 이후 영국의 방사광가속기 '다이아몬드'를 통해 이 엑시톤이 갖는 운동량과 에너지에 대한 아주 구체적인 데이터를 얻어내고, 이를 이론적으로 설명하기 위해 고등과학원 손영우 교수팀이 150만개의 경우의 수를 계산으로 풀어냈다. 연세대 김재훈 교수팀은 광흡수 실험으로 광방출 실험과 비교했다.
연구팀은 결국 세 가지 측정방법을 동원한 실험연구와 다체(many body) 계산을 이용한 이론 연구를 함께 수행한 끝에 세 개의 실험이 같은 결과를 가리킨다는 것을 확인하고, 이 엑시톤이 결맞음성이 매우 높은 양자 자성 엑시톤이라는 결론을 내렸다.
연구팀은 이론적으로 이러한 현상을 '쟝-라이스(Zhang-Rice) 양자다체상태'로 설명했다. 쟝-라이스 상태는 '전자가 존재할 확률이 산재해 있어, 여러 원자에 동시에 속박되어 있는 독특한 양자상태'를 말한다. 원래 고온 초전도체 현상을 설명하기 위한 이론으로 1988년 처음 등장했지만 이후 고온 초전도체 실험이 더 발전되면서 실험결과와 일치하지 않아 사장된 이론이다. 박제근 교수는 이를 "자동차용으로 개발했다가 실패해 버려진 도구가 훗날 자전거용으로 유용하게 사용된 것"으로 비유했다.
◆"지하철 2호선의 오디세이"…양자정보통신의 새로운 길을 열다
이번 연구는 2차원 자성 물질에서 누구도 예측하지 못했던 양자 현상을 발견한 것이 가장 큰 성과다. 이 엑시톤은 강한 결맞음성을 보이면서, 자성을 띠는 스핀자유도가 양자적으로 얽힌 매우 특이한 형태다. 연구진은 "2차원 자성체는 물론이고, 지금까지 이렇게 다체상태에 의해 스핀이 얽힌 엑시톤은 발견된 적이 없다"고 전했다.
엑시톤은 양자상태에서 광자를 방출하는 양자광원이어서 기본적으로 양자정보통신 기술의 중요한 열쇠로 거론된다. 연구진은 "자성을 갖는 엑시톤도 드문데, 결맞음이 통상적인 수준보다 수백 배 높아 기존에 알려진 메커니즘과 전혀 다른 물리 현상임을 시사한다"면서. 이 엑시톤을 양자컴퓨팅 등에 활용할 수 있을지 후속 연구를 진행할 계획이라고 밝혔다.
2차원 자성 물질 연구는 물리학 전체에서 갖는 중요성에도 불구하고 박제근 교수가 2010년 서울대에서 연구를 시작하기 전까지는 학계에 전혀 알려지지 않았던 분야다. 해외에서도 한국에서 개척한 중요한 연구분야로 인식되고 있는 전세계적으로 드문 예이다.
박제근 교수는 이번 연구 성과가 "서울대, 서강대, 연세대, 고등과학원의 연구자들이 어두운 방에서 벽을 더듬어 가는 것과 같은 작업을 함께 진행한 결과"라면서 "여러 실험들을 계속하면서 전혀 연결되지 않았던 실험 결과들이 서로 깊은 관련이 있다는 것을 깨달았을 때 ‘유레카’를 경험"한 감동을 전했다.
박 교수는 "세 실험팀과 한 이론팀이 새로운 아이디어와 결과를 주거니 받거니 하면서 지난 5년 동안 수많은 토론을 하면서 흥미로운 연구를 진행했다. 이 기간 동안 연구진들이 지하철 2호선을 타고 다니면서 수없이 많은 토론을 했기 때문에, 이 연구성과를 ‘과학의 2호선 오디세이’라 부르고 싶다."고 말했다.
◇논문명 : Coherent many-body exciton in van der Waals antiferromagnet NiPS3
◇저자 : 강순민(공동 제1저자, IBS/서울대), 김강원(공동 제1저자, 서강대), 김범현(공동 제1저자, KIAS), 김종현(공동 제1저자, 연세대), 심경익(연세대), 이재웅(아주대), 이성민(IBS/서울대), 박기수(IBS/서울대), 윤석환(IBS/서울대), 김태훈(IBS/서울대), A. Nag(Diamond Facility), A. Walters(Diamond Facility), M. Garcia-Fernandez(Diamond Facility), J. Li(Diamond Facility), L. Chapon(Diamond Facility), K. Zhou(공동교신저자, Diamond Facility), 손영우(공동교신저자, KIAS), 김재훈(공동교신저자, 연세대), 정현식(공동교신저자, 서강대), 박제근(공동교신저자, IBS/서울대)
최상국기자 [email protected]
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서울대-연세대-서강대-고등과학원, 네이처에 새로운 양자현상 발표[아이뉴스24 최상국 기자] 하나의 전자가 여러 원자에 나뉘어 존재하는 '양자 다체 상태'가 처음으로 발견됐다.
박제근 서울대 물리천문학부 교수(IBS 강상관계물질연구단 前부연구단장) 연구팀은 지난 2016년 2차원 자성(磁性) 물질의 빛 방출 실험을 하던 중 특정 에너지대에서 비정상적으로 강한 빛을 내는 엑시톤(exciton, 전자와 양공으로 이루어진 입자)을 발견했다.
이후 약 5년 동안 서강대 정현식 교수, 연세대 김재훈 교수, 고등과학원 손영우 교수 등이 서로 다른 방식의 실험과 계산을 통해 이 특이한 현상을 연구한 결과 '전자 한 개가 여러 원자에 나뉘어 존재하는 양자다체상태의 새로운 엑시톤(Coherent many-body exciton)'이라는 결론을 내렸다고 밝혔다.
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이 연구는 21일 자정 세계적 학술지인 네이처(Nature)를 통해 공개됐다.
양자 다체 자성 엑시톤 연구진 공동교신저자. (왼쪽부터) 곽제근 교수(서울대 물리천문학부), 정현식 교수(서강대 물리학과), 김재훈 교수(연세대 물리학과), 손영우 교수(고등과학원 계산과학부) [과기정통부 제공]◆양자얽힘 상태의 엑시톤을 처음으로 발견하다
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20일 김창룡 경찰청장 후보자 인사청문회
"박원순 사건, 청와대 보고 적절"
"공소권없음 조치 타당…실체적 진실 확인 못 해"
"피해자·피해호소인 용어 사실상 차이 없다"
김창룡 경찰청장 후보자가 20일 오전 서울 여의도 국회에서 열린 국회 행정안전위원회 경찰청장 후보자 인사청문회에서 여야 의원들의 질의에 답변하고 있다. ⓒ데일리안 홍금표 기자여야가 20일 국회에서 열린 신임 경찰청장 인사청문회에서 고(故) 박원순 서울시장의 성추행 의혹을 둘러싸고 격돌했다.
더불어민주당은 의혹과 관련해 △박 전 시장의 피소 사실을 청와대에 보고한 것이 적절했다는 점 △피의자가 사망한 경우 수사 자체가 불가능하다는 점에 주목했다.
미래통합당은 △피의자 사망으로 사건이 '공소권없음' 종결되는 것과 별개로 고위공직자의 비위와 관련된 데다 국민적 관심사인 만큼 관련 수사는 계속되어야 한다는 점을 강조했다.
김창룡 경찰청장 후보자는 "실체적 진실을 밝히는 것이 중요하지만 법령이나 규정상 경찰이 할 수 있는 역할의 범위 안에서 이뤄져야 한다"며 원론적인 입장만을 밝혔다. 성폭력 범죄 등에 관한 특례법 위반으로 사건을 수사할 수 있는지에 대해선 "현행 법령상 허용되지 않는 걸로 알고 있다"고 선을 그었다.
민주당, 수사상황 유출 논란 의식…"청와대 보고는 적절"
"'공소권 없음'에도 추가 수사한 이춘재건과도 달라"
첫 질문자로 나선 한병도 민주당 의원은 △박 전 시장의 피소 사실을 청와대에 보고한 것이 적절했는지 물었고, 김 후보자는 "사회 이목이 집중하는 중요사건 등에 대해서는 발생 단계에서 보고하는 걸로 내부 규칙에 규정되어 있다"고 답했다. 한 의원은 이에 "특히 고위공직자 비위 관계는 즉각 보고해야 한다고 생각한다. 보고가 안 되는 게 오히려 문제"라고 화답했다.
김민석 의원 역시 "정부조직법, 치안상황실 운영규정 등 취지에 비추어보면 각종 사건에 대해 청와대에 보고하도록 돼 있다"며 문제가 있다고 볼 순 없는 것이냐고 묻자 김 후보자는 "맞다"고 답했다.
김 후보자는 △이번 사안을 '공소권 없음'으로 조치하는 것에 대해서도 "타당하다"는 의견을 밝혔다.
김 후보자는 피해자가 있는데 피의자가 사망했다고 해서 일률적으로 '공소권없음' 수사 종결을 하면 피해 구제에 한계가 있을 수 있다'는 점을 지적하는 임호선 민주당 의원의 질문에는 "특별법 등을 통해 경찰이 피고소인이 없는 사건을 수사한다고 하더라도 최종적으로 경찰의 수사 내용이 실체적 진실에 부합하는지를 여부를 공적으로 확인할 수 없다"고 주장했다. 이어 "재판을 통해 사실관계를 확정해야 하는데 그 절차를 거칠 수 없기에 현재 법 규정 자체가 타당하다고 생각한다"고 밝혔다.
이해식 민주당 의원도 "검찰사건사무규칙 69조에 따르면 피의자가 사망했을 경우 '공소권 없음'으로 사건을 종결하게 돼 있다"며 공소권 없음에도 불구하고 추가 수사를 진행했던 이춘재 연쇄살인 사건과는 다르다는 점을 강조했다.
이 의원은 "살인사건을 예로 들면, 피해자는 존재하지 않지만 용의자나 피의자가 존재할 경우 수사를 진행한다. 피의자가 존재하지 않을 경우 수사 자체가 불가능하다"는 말에 "명백히 다른 것이죠"이라고 못을 박았다.
통합당·정의당 "실체적 진실 밝혀야…의지의 문제"'피해호소인' 호칭도 논란…김창룡 "사실상 차이 없다"
반면 통합당과 정의당 등 야권은 △김 후보자의 '수사 의지'를 캐물었다. '공소권 없음'과 관계없이 경찰청장이 의지를 가지고 수사를 한다면 실체적 진실을 밝힐 수 있다는 취지다.
김형동 통합당 의원은 김 후보자를 상대로 이 사건과 관련해 수사 의지가 있느냐고 세 차례에 걸쳐 물었다. 이 후보자는 "성폭력 범죄 등에 관한 특례법 위반으로 박 전 시장 사건을 수사할 의지가 있느냐"는 김 의원의 질문에 "현행법상 허용되지 않는 것으로 안다"며 불가 방침을 밝혔다.
정의당 이은주 의원은 "이춘재 연쇄살인 사건과 마찬가지로 실체적 진실 파악이 중요한 것"이라며 "공소권없음 의견으로 송치한다는 것과 이 사건 수사를 현 단계에서 중단한다는 것은 같은 의미냐"고 캐물었다.
이에 이 후보자는 "그런 것은 전혀 아니다. 경찰에서 수사를 중단한다는 입장을 표명한 적이 없는 것으로 안다"고 답했다.
이어 사건의 실체적 진실을 위해 계속 수사를 해야 한다고 재차 지적하자 이 후보자는 "실체적 진실을 밝히는 것은 중요하지만 법령이나 규정상 경찰이 할 수 있는 역할의 범위 안에서 이뤄져야 한다"며 "이춘재 사건도 용의자가 존재하지 않았다면 수사가 어려웠을 것"이라고 선을 그었다.
△피해자에 대한 호칭 논란에 대한 질문도 나왔다. 권영세 통합당 의원은 여권에서 '피해호소인'이라는 용어를 쓰고 있는 것에 대해 지적하며 "차이가 뭐라고 생각하느냐"고 물었고 김 후보자는 "사실상 차이가 없다고 생각한다"고 말했다.
권 의원은 "큰 차이가 없는데 굳이 피해호소인이라고 쓰는 이유가 무엇이냐"고 재차 물었고 김 후보자는 "제가 답변하는 것은 적절하지 않다고 생각한다"며 답을 피했다. 다만 "내부 규칙에 의하면 범죄 피해를 당했다고 신고한 사람에 대해서는 피해자라고 인정을 하고 그에 준해서 필요한 조치를 하고 있다"고 덧붙였다.
데일리안 이슬기 기자 ([email protected])
ⓒ (주)데일리안 - 무단전재, 변형, 무단배포 금지
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20일 김창룡 경찰청장 후보자 인사청문회
"박원순 사건, 청와대 보고 적절"
"공소권없음 조치 타당…실체적 진실 확인 못 해"
"피해자·피해호소인 용어 사실상 차이 없다"
김창룡 경찰청장 후보자가 20일 오전 서울 여의도 국회에서 열린 국회 행정안전위원회 경찰청장 후보자 인사청문회에서 여야 의원들의 질의에 답변하고 있다. ⓒ데일리안 홍금표 기자여야가 20일 국회에서 열린 신임 경찰청장 인사청문회에서 고(故) 박원순 서울시장의 성추행 의혹을 둘러싸고 격돌했다.더불어민주당은 의혹과 관련해 △박 전 시장의 피소 사실을 청와대에 보고한 것이 적절했다는 점 △피의자가 사망한 경우 수사 자체가 불가능하다는 점에 주목했다.
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김창룡 경찰청장 후보자는 "실체적 진실을 밝히는 것이 중요하지만 법령이나 규정상 경찰이 할 수 있는 역할의 범위 안에서 이뤄져야 한다"며 원론적인 입장만을 밝혔다. 성폭력 범죄 등에 관한 특례법 위반으로 사건을 수사할 수 있는지에 대해선 "현행 법령상 허용되지 않는 걸로 알고 있다"고 선을 그었다.
민주당, 수사상황 유출 논란 의식…"청와대 보고는 적절"
"'공소권 없음'에도 추가 수사한 이춘재건과도 달라"
첫 질문자로 나선 한병도 민주당 의원은 △박 전 시장의 피소 사실을 청와대에 보고한 것이 적절했는지 물었고, 김 후보자는 "사회 이목이 집중하는 중요사건 등에 대해서는 발생 단계에서 보고하는 걸로 내부 규칙에 규정되어 있다"고 답했다. 한 의원은 이에 "특히 고위공직자 비위 관계는 즉각 보고해야 한다고 생각한다. 보고가 안 되는 게 오히려 문제"라고 화답했다.
김민석 의원 역시 "정부조직법, 치안상황실 운영규정 등 취지에 비추어보면 각종 사건에 대해 청와대에 보고하도록 돼 있다"며 문제가 있다고 볼 순 없는 것이냐고 묻자 김 후보자는 "맞다"고 답했다.
김 후보자는 △이번 사안을 '공소권 없음'으로 조치하는 것에 대해서도 "타당하다"는 의견을 밝혔다.
김 후보자는 피해자가 있는데 피의자가 사망했다고 해서 일률적으로 '공소권없음' 수사 종결을 하면 피해 구제에 한계가 있을 수 있다'는 점을 지적하는 임호선 민주당 의원의 질문에는 "특별법 등을 통해 경찰이 피고소인이 없는 사건을 수사한다고 하더라도 최종적으로 경찰의 수사 내용이 실체적 진실에 부합하는지를 여부를 공적으로 확인할 수 없다"고 주장했다. 이어 "재판을 통해 사실관계를 확정해야 하는데 그 절차를 거칠 수 없기에 현재 법 규정 자체가 타당하다고 생각한다"고 밝혔다.
이해식 민주당 의원도 "검찰사건사무규칙 69조에 따르면 피의자가 사망했을 경우 '공소권 없음'으로 사건을 종결하게 돼 있다"며 공소권 없음에도 불구하고 추가 수사를 진행했던 이춘재 연쇄살인 사건과는 다르다는 점을 강조했다.
이 의원은 "살인사건을 예로 들면, 피해자는 존재하지 않지만 용의자나 피의자가 존재할 경우 수사를 진행한다. 피의자가 존재하지 않을 경우 수사 자체가 불가능하다"는 말에 "명백히 다른 것이죠"이라고 못을 박았다.
통합당·정의당 "실체적 진실 밝혀야…의지의 문제"'피해호소인' 호칭도 논란…김창룡 "사실상 차이 없다"
반면 통합당과 정의당 등 야권은 △김 후보자의 '수사 의지'를 캐물었다. '공소권 없음'과 관계없이 경찰청장이 의지를 가지고 수사를 한다면 실체적 진실을 밝힐 수 있다는 취지다.
김형동 통합당 의원은 김 후보자를 상대로 이 사건과 관련해 수사 의지가 있느냐고 세 차례에 걸쳐 물었다. 이 후보자는 "성폭력 범죄 등에 관한 특례법 위반으로 박 전 시장 사건을 수사할 의지가 있느냐"는 김 의원의 질문에 "현행법상 허용되지 않는 것으로 안다"며 불가 방침을 밝혔다.
정의당 이은주 의원은 "이춘재 연쇄살인 사건과 마찬가지로 실체적 진실 파악이 중요한 것"이라며 "공소권없음 의견으로 송치한다는 것과 이 사건 수사를 현 단계에서 중단한다는 것은 같은 의미냐"고 캐물었다.
이에 이 후보자는 "그런 것은 전혀 아니다. 경찰에서 수사를 중단한다는 입장을 표명한 적이 없는 것으로 안다"고 답했다.
이어 사건의 실체적 진실을 위해 계속 수사를 해야 한다고 재차 지적하자 이 후보자는 "실체적 진실을 밝히는 것은 중요하지만 법령이나 규정상 경찰이 할 수 있는 역할의 범위 안에서 이뤄져야 한다"며 "이춘재 사건도 용의자가 존재하지 않았다면 수사가 어려웠을 것"이라고 선을 그었다.
△피해자에 대한 호칭 논란에 대한 질문도 나왔다. 권영세 통합당 의원은 여권에서 '피해호소인'이라는 용어를 쓰고 있는 것에 대해 지적하며 "차이가 뭐라고 생각하느냐"고 물었고 김 후보자는 "사실상 차이가 없다고 생각한다"고 말했다.
권 의원은 "큰 차이가 없는데 굳이 피해호소인이라고 쓰는 이유가 무엇이냐"고 재차 물었고 김 후보자는 "제가 답변하는 것은 적절하지 않다고 생각한다"며 답을 피했다. 다만 "내부 규칙에 의하면 범죄 피해를 당했다고 신고한 사람에 대해서는 피해자라고 인정을 하고 그에 준해서 필요한 조치를 하고 있다"고 덧붙였다.
데일리안 이슬기 기자 ([email protected])
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