원소는 성질에 따라 크게 금속과 비금속으로 분류할 수 있다. 철, 구리, 금 등의 금속 원소는 광택이 있으며, 열과 전기가 잘 통한다. 또, 외부에서 힘을 가해도 부서지지 않고 모양만 변한다. 탄소, 인, 헬륨 등의 비금속 원소는 금속 원소와 달리 광택이 없으며, 열과 전기가 잘 통하지 않는다.

_고등학교 통합과학 교과서(미래엔, 2015) 중

편집자 주

교과서는 엄격한 검증을 거쳐 만들어집니다. 현재 시점에서 가장 믿을 수 있는 지식이죠. 하지만 세상에 절대적인 것은 없고, 특히 과학은 새로운 관측이나 실험을 통해 끊임없이 수정되며 발전합니다. 우주와 생명의 진리에 다가서기 위해 오늘도 한 걸음을 내딛는 기초과학 연구자들의 이야기를 5회에 걸쳐 연재합니다.>

물질. 우주의 구성 요소 중 하나. 세상을 이루는 다양한 물질들을 우리는 흔히 상태에 따라 고체, 액체, 기체, 플라스마로 구분한다. 혹은 전기가 통하는지 아닌지의 특성에 따라 도체와 부도체로 나눠보기도 한다. 모두 다 중학교, 고등학교 교과서에서 읽어봤을 분류법이다.

그런데 최근 기존의 물질 분류에 딱 들어맞지 않는 이상한 물질들이 과학자들의 주목을 받기 시작했다. 앞으로 과학교과서를 새로 쓰게 된다면 등장하게 될 물질 ‘양자물질’이 바로 그것이다. 양자물질이 뭘까. 양자물질 연구의 최전선에 있는 기초과학연구원(IBS) 연구자들에게 물어봤다.

양자 현상이 담기는 그릇, 양자물질

“원자 단위의 미시세계에서는 일상과는 다른 특이한 양자물리학적 현상들이 일어납니다. 원래는 개별 원자 단위에서 일어나는 양자적 현상을 좀 더 큰 단위에서 보여주는 물질들이 있습니다. 이들을 ‘양자물질’이라 부릅니다.” 5월 2일, POSTECH에서 만난 조문호 IBS 반데르발스 양자물질 연구단장은 양자물질의 개념을 이렇게 설명했다.

일상에서 일어나는 현상은 대부분 고전물리학의 범위에서 설명된다. 그런데 원자 단위의 매우 작은 크기에서는 고전 물리학으로 설명할 수 없는 일들이 일어난다. 비유하자면 커피가 갑자기 잔 옆면으로 흘러나오는 일이 벌어지는 것이다. 이런 현상은 고전물리학이 아니라 양자물리학으로 설명해야 한다. 5월 8일 이화여대에서 만난 박수현 IBS 양자나노과학 연구단 연구위원이 설명을 덧붙였다.

“대표적인 양자물리학적 현상이 ‘중첩’과 ‘얽힘’입니다. 중첩은 둘 이상의 상태가 확률적으로 공존하는 상태를 말합니다. 한 원자가 두 상태로 동시에 존재할 수 있다는 의미죠.” 중첩에서 비롯되는 또 한 가지 현상이 ‘얽힘’이다. 양자적으로 얽혀있는 두 원자가 서로 영향을 주고 받는 현상이다.

염한웅 IBS 원자제어 저차원 전자계 연구단장

솔리톤과 같은 준입자 양자물질을 활용하면 에너지 손실 없는 새로운 정보소자를 개발할 수 있습니다. 앞으로 저항을 극도로 줄여 정보를 전달하는 연산소자를 만드는 것이 목표입니다.

정리하면 양자물리학적 현상들이 개별 원자가 아닌 원자의 집합 즉 ‘물질 단위’에서 일어날 때, 그래서 양자적 현상의 결과가 눈에 보일 정도로 커지고 교과서적 상식을 뒤엎는 결과를 나타낼 때 이 물질을 양자물질이라 일컫는다.

양자물질의 종류는 어떤 것이 있을까. 염한웅 IBS 원자제어 저차원 전자계 연구단장은 ‘초전도체’를 예로 들었다. “초전도체는 극저온에서 물질의 저항이 갑자기 0으로 떨어지죠. 고전물리학으로는 설명할 수 없는 일이 일어난 겁니다. 양자물리학에서는 전자 2개가 서로 상호작용하는 ‘쿠퍼 쌍’을 이뤄 움직이기 때문에 초전도 현상이 가능하다고 설명합니다.” 실제로 초전도체의 성질은 개별 전자의 성질로는 이해하기 힘들다. 전자들이 서로 상호작용해서 만들어진 쿠퍼 쌍처럼, 새로운 형태의 입자 개념(준입자)을 가정해 ‘양자 물성’을 도입해야 설명할 수 있다.

양자물질의 예는 이외에도 많다. 겉면만 도체이고 내부는 부도체인 ‘위상 부도체’는 도체와 부도체로만 나눠지던 고체 분류법에 새롭게 등장한 ‘제3의 고체’다(반도체는 어디 갔냐고 물을 사람들이 있겠지만, 물리학에서는 반도체도 부도체의 일종으로 분류한다). 최근 뜨거웠던 양자물질 신소재로는 ‘그래핀’이 있다. 그래핀은 탄소 원자들이 벌집 형태의 육각형 구조로 2차원 평면을 이루는 구조다. 강도가 강철보다 200배 가량 강하고, 열 전도성도 높다. 탄소 원자가 한 층으로만 쌓인 2차원 물질이라 양자역학적 현상을 보인다.

이렇게 양자물질들은 기존 물질에서 생각하기 어려운 특성을 보인다. 그렇다면 기존의 산업계를 뒤집을 만한 혁신적인 신소재를 양자물질에서 찾을 수도 있지 않을까. IBS의 세 연구단에서 궁극적으로 하고자 하는 일이 바로 이것이다. 하지만 세 연구단이 양자물질에 접근하는 방식은 각자 다르다.

조문호 IBS 반데르발스 양자물질 연구단장

양자물질은 와해성 기술로 성장할 잠재력을 가지고 있습니다. 어떤 종류의 물질이 어떤 방식으로 성장할지는 명확치 않아요. 지금은 전세계적인 탐색 단계입니다. 따라서 국가적으로 선도적 연구를 통해 미래를 대비하는 것이 중요합니다.

양자물질로 차세대 반도체연산소자 만든다

조 단장이 이끄는 반데르발스 양자물질 연구단은 반데르발스 힘을 제어해 새로운 2차원 양자물질을 만들고 연구한다. 반데르발스 힘은 분자와 분자 사이, 혹은 분자 내에서 생기는 약한 전기적 힘이다. “약한 반데르발스 힘을 이용하면 원자 몇 개 두께의 물질을 단위로 하는, 자연계에 존재하지 않는 양자물질을 만들 수 있습니다. 이런 물질은 ‘차차세대’ 반도체 또는 양자소자 물질로 활용될 수 있죠.” 이 연구팀은 2021년 원자층 반도체인 이황화몰리브덴(MoS₂) 등 세 가지 물질을 종류와 순서를 제어하며 쌓아올려 새로운 구조의 인공 반도체 소재를 개발했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 나노테크놀로지’에 실렸다. ^{doi: 10.1038/s41565-021-00942-z}

반데르발스 양자물질 연구단이 미래에 반도체로 쓰일 수 있는 소재를 만든다면, 염 단장이 이끄는 원자제어 저차원 전자계 연구단은 양자물질을 통해 새로운 개념의 연산소자를 만드는 걸 목표로 삼았다. “기존 반도체는 전자를 이용해 연산합니다. 더 작은 소자로 연산을 할수록 에너지를 많이 쓰고 열 발생량도 늘어나죠. 전자가 아닌 다른 것, 예를 들어 준입자인 ‘솔리톤 입자’나 전자의 움직임이 없는 스핀의 흐름을 연산 소자에 이용하면 이 한계를 극복할 수 있습니다.”

2021년, 원자제어 저차원 전자계 연구단은 실리콘 기판에 금 입자를 증착해 원자 한개 폭의 1차원 실리콘 원자선을 만들어냈다. 연구팀은 실험을 거듭해 이 원자선이 영하 70℃ 이하에서 정보를 빠르게 전달하는 솔리톤 입자를 가진다는 점을 확인해 ‘네이처 나노테크놀로지’에 발표했다. ^{doi: 10.1038/s41565-021-01042-8}

박수현 IBS 양자나노과학 연구단 연구위원

박수현 IBS 양자나노과학 연구단 연구위원이 주사터널링현미경(STM) 앞에서 포즈를 취했다. 위아래로 건물 두 층 높이의 장비가 은박을 둘러싼 채로 서 있다. 대부분은 시료와 현미경을 외부로부터 오염되지 않게 보호하며, 양자 현상이 잘 나타나는 극저온 상태로 냉각하고 유지하기 위한 장치들이다. 가장 작은 존재를 관찰하기 위해 이렇게 거대한 장비를 동원해야 한다는 사실이 역설적으로 다가왔다.

과학계 구도를 바꿀 양자물질의 잠재력

“저희는 물질을 원자 단위에서 쌓아나가며 연구에 필요한 양자 성질을 갖게 하는 ‘바텀업(Bottom-up)’ 방식으로 양자물질을 연구하고 있습니다.” 박수현 연구위원은 양자나노과학 연구단이 하는 일을 이렇게 설명했다. 원자 하나하나를 옮기고 쌓아나가며, 원자 사이에서 일어나는 상호작용을 관찰하는 작업이다. 그렇기에 양자나노과학 연구단은 원자를 보거나 움직일 수 있는 장비인 주사터널링현미경(STM)을 주로 사용한다. 연구단이 둥지를 튼 이화여대 연구협력관 지하 2층에는 STM만 8대 가량 설치돼 있다.

양자나노과학 연구단은 STM을 사용해 최근 원자 크기의 ‘전자스핀 큐비트’를 만들어 국제학술지 ‘사이언스’에 발표했다. ^{doi: 10.1126/science.ade5050} 큐비트는 양자컴퓨터의 계산 기본 단위다. 0과 1, 두 가지 상태의 정보만 저장할 수 있는 고전적 ‘비트’와 달리 0과 1의 상태를 동시에 가질 수 있다. 초전도체, 이온 트랩 등 다른 방식의 큐비트에 비해 전자스핀 큐비트는 속도가 빠르며, 크기가 원자 크기 수준으로 작아 집적도를 크게 높일 수 있다. 양자컴퓨터는 물론 도청 염려 없이 정보를 전달하는 ‘양자정보 전달’이나, 원자 하나를 센서로 쓰는 ‘양자 센서’ 등 다양한 분야에서 계산의 기본 단위로 쓸 수 있다.

반도체, 양자컴퓨터, 양자센서양자물질의 잠재력은 무한하다. 어디에서 뭐가 튀어나올지 모르는 분야다. 조 단장은 양자물질의 미래에 관해 ‘와해성 기술’이라는 표현을 사용했다. 과학계와 산업계의 구도 자체를 파괴적으로 새롭게 바꿔버릴 잠재력을 가지고 있다는 뜻이다.

조 단장은 양자물질 연구가 양자물질 자체는 물론, 후속 연구자를 길러낼 ‘기초과학 연구를 탐구하는 분위기’를 만든다는 점에서 중요하다고 재차 강조했다. “탐구하는 분위기를 전통으로 만드는 것이야말로 한국의 기초과학 토양을 두껍게 하는, 응용적 성과만큼 중요한 국가적 목표일 겁니다.”

양자물질, 뭔지 이해해보자

양자물질, 원자 단위의 미시세계에서 일어나는 양자물리학적 현상을 좀 더 큰 단위인 물질의 차원에서 보여주는 물질을 일컫는다. 이해하기 어렵지만 관련 연구로 노벨 물리학상만 여섯 번 수상했을 정도로 현대 물리학에서 중요한 연구 분야다. 양자물질이 무엇인지, 개념을 차근차근 이해해보자.

양자물질, 개념은 이렇다

원자 단위의 세계에서 일어나는 현상은 양자물리학의 법칙으로 설명된다. 그 한 예가 ‘중첩’ 현상이다. 고전물리학에서는 원자가 0이나 1, 한 가지 상태로만 존재히지만 양자물리학에서는 원자가 두 상태로 동시에 존재할 수 있다. 이 원자를 관찰하면 원자가 두 상태 중 하나로 고정된다. 이때, 양자적으로 얽혀있는 다른 원자가 영향을 주고 받는 현상을 ‘얽힘’이라 부른다.

중첩과 얽힘으로 대표되는 양자물리학적 현상으로 인해 원자나 전자 같은 입자들은 인간의 직관을 거슬러 이상하게 행동하기도 한다. 가령, 입자가 한곳에서 다른 곳으로 이동할 때 경로를 따라 이동하지 않고 갑자기 ‘뿅’ 하고 나타나는 것처럼 보인다거나, 낮은 에너지 상태에서 탈출할 수 없는 원자핵 바깥으로 낮은 에너지의 입자가 탈출하는 현상 등이다.

이러한 양자물리학적 현상은 원자 단위의 미세한 세계에서 관찰된다. 그런데 양자물리학적 현상이 원자보다 더 큰 물질 차원에서 나타나는 경우가 있다. 가령 물질을 극한의 저온 상태로 만들거나, 분자 구조를 매우 얇게 깎아 2차원 평면으로 만들거나, 혹은 더 깎아내 1차원 직선으로 만들면 양자물리학적 현상을 볼 수 있다. 이런 물질을 ‘양자물질’이라 부른다.

IBS 연구단이 만든 양자물질

‘차차세대’ 반도체가 될 2차원 양자물질: 반데르발스 양자물질 연구단

반데르발스 힘은 분자와 분자 사이, 혹은 분자 내에서 생기는 약한 전기적 힘이다. 약한 반데르발스 힘을 이용하면 원자 몇 개 두께의 물질을 단위로 하는, 자연계에 존재하지 않는 새로운 양자물질을 만들 수 있다. IBS 반데르발스 양자물질 연구단은 2021년 원자층 반도체인 이황화몰리브덴(MoS₂), 이황화텅스텐(WS₂), 이셀레늄화텅스텐(WSe₂) 등을 종류와 순서를 제어하며 쌓아 새로운 구조를 가진 인공 반도체 소재를 개발했다. 이런 물질은 ‘차차세대’ 반도체 또는 양자소자 물질로 활용될 가능성이 있다.

새로운 연산소자, 솔리톤: 원자제어 저차원 전자계 연구단

솔리톤 입자는 양자물질이 보여주는 준입자의 일종이다. 이것이 가진 물리량인 ‘스핀’이나 전하를 통해 정보를 전달할 수 있다. 솔리톤 입자는 스핀이나 전하를 가지고 저항없이 움직일 수 있어서, 에너지를 거의 사용하지 않고 정보를 전달할 수 있다. 2021년, IBS 원자제어 저차원 전자계 연구단은 실리콘 기판에 금 입자를 증착해 실리콘 원자선을 만들어냈다. 말그대로 원자 한 개 폭을 가진 1차원 선 형태의 규소 배열을 만들었다는 의미다. 그리고 이 실리콘 원자선이 영하 70℃ 이하에서 정보를 빠르게 전달하는 솔리톤 입자를 가진다는 점을 확인했다.

원자 크기의 큐비트를 만들다: 양자나노과학 연구단

IBS 양자나노과학 연구단은 얇은 산화마그네슘 부도체 표면에 세 개의 타이타늄 원자를 올렸다. 그리고 하나의 주사터널링현미경(STM) 탐침으로 세 타이타늄 원자의 전자 스핀을 조절하는 방법으로 세 큐비트를 동시에 제어하고 측정하는 데 성공했다. 원자 크기 큐비트 플랫폼의 장점은 초전도체, 이온 트랩 등 다른 방식의 큐비트 플랫폼에 비해 속도가 빠르고 크기가 작다는 것이다. 말그대로 큐비트 하나가 1nm(나노미터는 10억분의 1m)로, 원자 크기(0.2nm)와 유사하다. 다른 방식과 비교해 집적도를 크게 높일 수 있다.

양자물질, 노벨상 연구의 산실

1913년 초전도체를 발견한 네덜란드 과학자 하이케 카메를링 오네스가 노벨 물리학상을 수상한 이래, 최근까지 양자물질 연구에 여섯 번의 노벨 물리학상이 주어졌다. 양자물리학 전반이 아니라 양자물질 관련 연구에만 6개다. 이렇게 양자물질은 현대 물리학의 첨병을 걷는 분야다. 양자물질의 종류를 노벨상과 함께 알아봤다.

초전도체

극저온에서 물질의 저항이 갑자기 0으로 떨어지는 초전도 현상을 보이는 초전도체는 양자물질의 대표적 예다. 양자물리학의 ‘BCS 이론’은 전자 2개가 서로 상호작용하는 ‘쿠퍼 쌍’을 이뤄 움직이기 때문에 초전도 현상이 가능하다고 설명한다. 초전도체의 발견, BCS 이론, 고온 초전도체 발견까지 총 3개의 노벨 물리학상이 초전도체 분야에 수여됐다.

그래핀

그래핀은 탄소 원자들이 벌집 형태의 육각형 구조로 2차원 평면을 이루는 물질이다. 탄소 원자가 한 층으로 펼쳐진 2차원 물질로 양자물리학적 현상을 보인다. 최근에는 그래핀 두 층을 살짝 어긋나게 쌓을 경우, 특정 각도에서 초전도적 특성을 보인다는 연구가 나오기도 했다. 그래핀을 만드는 데 성공한 연구자들이 2010년 노벨 물리학상의 영예를 안았다.

위상 부도체

위상 부도체는 겉면만 도체이고 내부는 부도체인 특이한 고체다. 위상 부도체의 독특한 성질을 설명하려면 양자물리학과 위상수학을 조합한 이론이 필요했다. 이 어려운 일을 해낸 물리학자 세 명이 2016년 노벨 물리학상을 수상했다. 이 이론을 설명하기가 힘들어 그해 노벨상 위원회 위원은 발표장에서 베이글빵을 들고 이론을 설명하려 했다는 일화가 전해진다.