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아주대·KAIST 연구팀, 사슬구조 양자소재 내 스핀-전하 분리 현상 관측 성공

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아주대·KAIST 연구팀, 사슬구조 양자소재 내 스핀-전하 분리 현상 관측 성공

아주대 연구진이 그동안 이론적으로는 예측되어왔으나 실제 직접 관찰은 어려웠던 금속 물질에서의 스핀-전하 분리를 처음으로 직접 관찰하는 데 성공했다. 이에 향후 후속 연구를 통해 초전도 현상 규명의 실마리를 얻고, 새로운 양자 정보 소재로도 활용될 수 있을 전망이다. 물리학과 김성헌 교수와 한국과학기술원(KAIST) 현정훈 박사·김용관 교수 공동 연구팀은 1차원 사슬구조 물질 내에서 도체-부도체 전이에 걸쳐 스핀-전하 분리 현상을 관측하는 데 성공했다고 밝혔다. 이번 연구 내용은 ‘준1차원 NbSe3의 전하밀도파 전이에 걸친 밴드 선택적 스핀-전하 분리(Band-selective spin-charge separation across the charge density wave transition in quasi-1D NbSe3)’라는 제목의 논문으로, 미국물리학회가 발간하는 물리학 분야의 저명 학술지 <피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)> 최근호에 편집자 추천 논문(Editors’ Suggestion)으로 게재됐다. 전자(Electron, 電子)는 물질의 원자를 구성하며, 음전하를 띄는 기본 입자다. 전자는 전하(charge)와 스핀(spin)이라는 두 대표적 성질을 보인다. 전하는 전기적인 힘을 느낄 수 있게 하는 기본 성질로, 전기가 흐르게 하는 요소다. 스핀은 전자가 스스로 회전하는 것과 같은 양자역학적 성질로, 자석과 같은 자기적 성질을 결정하는 요소다. 전자 사이의 상호작용이 강한 1차원 금속 물질에서는 보통 물질 내의 전자가 페르미 액체 모형을 따르는 것과 다르게, 러틴저 액체 모형을 통해 전자의 움직임을 설명할 수 있을 것으로 예측되어 왔다. 그리고 러틴저 액체 모형에서는 전자가 갖는 대표적인 두 성질인 전하와 스핀에 대한 정보가 독립적으로 거동하는 것과 같은 ‘스핀-전하 분리 현상’이 예측된 바 있다. 이러한 현상은 초전도 현상이 발현되기 전에 나타나는 비(非)페르미 액체 상태를 규명하기 위한 단서를 제공할 뿐 아니라, 스핀과 전하라는 서로 다른 정보를 전달하는 양자 정보 소재로의 응용 가능성이 있어 주목을 받고 있다. 초전도 현상이란 전기 저항이 0이 되는 현상으로, 영하 240˚C 이하의 아주 낮은 온도 등 특정 조건 하에서 나타난다. 초전도체를 이용하면 전력 손실 없이 에너지를 사용할 수 있어, 초전도 현상과 초전도체는 최근 학계와 산업계의 주목을 받아왔다. 양자 정보 소재란 양자 컴퓨터·통신·센서 등에 활용되는 소재다. 차세대 양자 기술은 양자역학 원리를 기반으로 한 새로운 유형의 기술로, 보다 많은 정보를 빠르게 처리할 수 있어 다양한 산업 분야에서 효율성과 생산성을 대폭 증대시킬 수 있다. 이처럼 여러 첨단 분야에 새로운 이해를 제공할 수 있는 것이 바로 ‘스핀-전하 분리 현상’이다. 그러나 이론적인 예측을 통해 전자 거동에 대한 해법이 제시된 것과는 다르게, 실제 물질에서 이 현상을 직접 관측한 사례는 매우 드물다. 스핀-전하 분리 현상은 전자 사이의 강한 상호작용에 의해 나타나는 것으로 예측되어왔으나, 이 ‘강한 상호작용’이 동시에 스핀 정보 움직임의 관측을 방해하기 때문에 그동안 실험적 증거를 찾는 것이 어려웠다. 특히 이상적인 1차원 전자계를 구현하는 것이 어렵고, 나아가 전자 사이의 상호작용 정도를 직접 제어하는 데에도 한계가 있어 지금까지 이에 대한 실험적 증거는 매우 제한적으로 포착되어왔다. 아주대 공동 연구팀은 이러한 어려움을 해결하기 위해 적절한 전자 사이의 상호작용이 존재할 수 있는 소재 물질 후보군을 탐색했다. 연구팀은 세 종류의 1차원 원자사슬로 구성된 니오븀(Nb)-셀레늄(Se) 화합물로 NbSe3 시료를 합성하고 각분해 광전자분광법을 이용한 띠구조 분석을 통해 스핀의 정보와 전하의 정보가 서로 다른 속도로 전달되는 것을 직접 관측하는 데 성공했다. 각분해 광전자분광법은 밝은 빛을 조사했을 때 튀어나오는 광전자의 운동 에너지와 운동량을 분석하는 방법으로 물질 내에서 일어나는 양자 현상을 관측할 수 있는 실험 방법이다. 연구팀은 방사광 가속기에서 마이크로미터(μm, 1μm=0.001mm) 크기로 집광된 강한 자외선을 조사했을 때 방출된 광전자를 분석했다. 이를 통해 화합물 내의 광전자가 튀어나온 자리에 형성된 양전하의 움직임(홀론, Holon)과 각 전자들의 스핀 뒤집힘에 따른 스핀 움직임(스피논, Spinon)이 명확하게 분리되어 거동하는 것을 포착했다. 나아가 1차원 물질에서 자주 나타나는 또 다른 양자 현상인 전하밀도파 발현에 따른 도체-부도체 전이가 일어나는 과정에서도, 스핀과 전자가 분리되어 움직이는 것을 관측하는 데 성공했다. 스핀-전하 분리와 전하밀도파 모두 초전도 특성이 발현되기 이전에 나타날 수 있는 1차원 전자계의 특징적인 양자 현상으로 이들 간의 상호 연관성에 대한 추가적인 연구는 앞으로 초전도 현상의 발현 원리 규명에 중요한 단서를 제공할 것으로 기대된다. 아주대 김성헌 교수(물리학과)는 “1차원 물질의 독특한 환경에서 전하와 스핀에 대한 정보가 독립적으로 전달되는 집단적 거동을 직접 관측한 성과”라며 “앞으로 추가적으로 결정구조나 상호작용 세기의 제어를 통해 초전도 발현 원리 규명의 단서를 찾을 수 있을 것”이라고 전했다. 김 교수는 이어 “기초 물리학의 난제 해결에 더해, 전하와 스핀이라는 독립된 자유도를 이용한 새로운 양자 정보 소재 개발로도 응용범위를 넓힐 수 있을 것”이라고 덧붙였다. 이번 연구는 한국연구재단의 우수신진연구사업, 대학기초연구소(G-LAMP) 사업, 대학중점연구소 사업의 지원을 받아 수행됐다. 온도에 따른 니오븀(Nb)-셀레늄(Se) 화합물(NbSe3) 광전자의 에너지-운동량 분포 실험 결과. 점선은 각각 스핀 움직임(빨간색)과 양전하의 움직임(검정색)의 스펙트럼을 나타낸다. 온도가 상승함에 전하밀도파 갭이 닫히지만 스핀-전하 분리 현상이 유지되는 것을 관측할 수 있다. * 위 그림 : 1차원 금속 물질의 광전자가 방출되는 과정에서 나타나는 스핀-전하 분리 모식도(왼쪽). 서로 다른 속도로 전달되는 스핀 움직임(Spinon)과 양전하 움직임(Holon)의 에너지-운동량 분포 모식도(오른쪽)
아주대 고기원 기술교류회 방문객

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아주대–고등기술연구원과 기술교류회 열려, 21년부터 매년 개최

[2025년 아주대학교와 고등기술연구원의 기술교류회 모습] 아주대학교와 고등기술연구원(원장 김진균)이 공동 주최한 '2025 기술교류회'가 8일 아주대에서 열렸다. 양 기관은 2021년 12월을 시작으로 매년 기술교류회를 개최하고 있으며 올해는 ▲기술 상용화 ▲핵심특허 확보 ▲연구 아이디어 교환 ▲지산학연 연계를 주요 의제로 삼았다. 고등기술연구원은 경기도 용인에 위치한 연구기관으로 1992년 설립되어 차세대플랜트, 탄소제로에너지, 소재부품, 산업융합시스템 등을 중점 연구 분야로 삼고 있으며 개원했을 때부터 아주대와 연구와 교육에 있어 긴밀한 협력관계를 이어오고 있다. 이정승 고등기술연구원 본부장은 “연대와 협력, 연결의 힘을 키우자”, 박은덕 아주대 교수는 “연대를 넘어 상생으로”라는 제목으로 주제 발표가 각각 있었다. 기술간 융합과 협력의 중요성과 지속가능한 협력 생태계 구축방안을 강조했다. 이어진 패널토론에서는 “기술교류의 방향성과 공동연구 성과 확산 방안”을 주제로 박상철, 조인선, 박은덕 교수(이상 아주대)와 유영돈 부원장, 강석환, 이정승 본부장(이상 고등기술연구원) 그리고 유재석 아주대 명예교수(현 삼척시 기업협력관)이 패널로 나섰으며 산학연 협력의 실질적 모델이 자리잡기 위한 기반 구축이 필요하다는데 의견을 모았다. 이 외에도 ▲수소 및 CCUS(Carbon Capture, Utilization, and Storage) ▲자원순환 ▲소재부품 ▲AI/DX 등 4개 분야에 대한 기술별 세션이 경기도 RISE사업, G-LAMP 사업단 등이 참여한 가운데 기술 상용화 방안 등에 관한 논의를 펼쳤다. 마지막으로 유성주 아주대 교수의 아주대와 고등기술연구원의 공동 수행 연구 성과와 향후 방안에 대한 보고가 이뤄졌다. 김선용 대우학원 이사장은 “원천기술에 강점이 있는 아주대와 산업 분야 적용 기술을 개발하는 고등기술연구원이 서로의 장점을 극대화해 협력해 시너지를 내야 한다”며 “정기적인 기술교류회가 그 시작이 될 수 있다”고 의미를 부여했다.
경인통일교육센터가 북한과 가까운 접경지역인 강화 교동도의 풍경을 담은 메타버스 <DMZ 마을 교동도편>을 개발했다. 해당 사진은 <DMZ 마을 교동도편>의 접속화면이다.

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경인통일교육센터, 통일교육용 메타버스 <강화 교동도 편> 공개

우리 학교 경인통일교육센터가 통일 교육을 위한 메타버스 가상공간을 구현했다. 경기도 강화군에 위치한 교동도의 풍경을 담아 분단 현실에 대한 이해를 돕기 위한 목적이다. 경인통일교육센터는 ZEP 스페이스 기반 <DMZ 마을 교동도편>을 개발해 정식 오픈했다고 밝혔다. ZEP 어플리케이션을 통해 누구나 접속해 이용할 수 있다. <DMZ-ECO LAND 교동도 편>은 총 5개월의 제작 과정을 거쳐 북한과 접경지역인 인천 강화도 교동도의 마을을 재현함으로써, 분단 현실에 대한 이해와 통일의 필요성을 자연스럽게 학습할 수 있도록 기획됐다. 제작 과정에서는 교동면사무소와 지역 주민의 인터뷰 협조를 받았으며, 아주통일연구소 관계자가 두 차례 현장을 방문해 조사한 내용을 바탕으로 경인통일교육센터의 GITV 유튜브 콘텐츠 <실향민의 땅, 교동도> 또한 제작했다. 이용자들은 메타버스 플랫폼 ZEP에 접속하여 교동면의 주요 명소인 ▲대룡시장 ▲화개정원 ▲망향대 ▲박두성 선생 생가를 체험할 수 있으며, 망향대에서는 북한의 연백평야를 바라볼 수 있다. 이 외에도 이용자들은 OX퀴즈, 기념촬영, DMZ 영상 관람 등 다양한 체험형 콘텐츠를 통해 접할 수 있다. 이번 기획을 맡은 아주대 경인통일교육센터·아주통일연구소는 순차적으로 다른 DMZ 내 마을들도 구현해나갈 예정이다. 한기호 아주통일연구소 연구교수(경인통일교육센터 사무부처장)는 “우리가 쉽게 접하지 못하는 DMZ 마을 이야기에 메타버스를 활용한 블렌디드 러닝(blended learning) 방식으로 통일교육에 접목한 결과, 학생들의 반응이 좋았다”라며 “앞으로도 DMZ 유니버스 구축과 마을 알리기를 계속 추진해나가겠다”라고 말했다. 한편 아주대 아주통일연구소는 지난 2016년부터 통일부 지역통일교육센터 사업에 참여, 경기남부통일교육센터를 운영해왔다. 2020년부터는 경기·인천 지역 전반을 아우르는 경인통일교육센터로 센터가 확대 개편되어, 전국 최대 규모의 지역통일교육센터로 자리매김하고 있다. 기남부통일교육센터는 지난해 통일부 성과평가에서 종합 1위를 기록하며 우수센터로 선정됐다. <DMZ 마을 강화 교동도편>접속 <DMZ 마을 강화 교동도편>영상 교동도편 맵 대룡시장 접속 화면