초록 ▼

□연구개요
이상적인 이차원 벌집구조 격자상에서 비등방의 아이징(Ising) 스핀상호작용을 가정한 키타에프(Kitaev) 양자스핀액체 모델은 위상학적 질서(topological order)를 갖는 바닥상태에 대한 정확한 해를 구할 수 있기 때문에 최근에 새롭게 부상하는 위상응집물리에 대한 관심과 맞물려 응집물질물리학계의 많은 관심을 받고 있다. 특히 이모델은 위상학적 질서의 직접적인 증거 중의 하나인 들뜸상태의 분수화된 준입자(fractionalized quasi-particle)가 입자와 반입자의 성질을 동시에 갖는 마요라나

□연구개요
이상적인 이차원 벌집구조 격자상에서 비등방의 아이징(Ising) 스핀상호작용을 가정한 키타에프(Kitaev) 양자스핀액체 모델은 위상학적 질서(topological order)를 갖는 바닥상태에 대한 정확한 해를 구할 수 있기 때문에 최근에 새롭게 부상하는 위상응집물리에 대한 관심과 맞물려 응집물질물리학계의 많은 관심을 받고 있다. 특히 이모델은 위상학적 질서의 직접적인 증거 중의 하나인 들뜸상태의 분수화된 준입자(fractionalized quasi-particle)가 입자와 반입자의 성질을 동시에 갖는 마요라나 페르미온(Majorana fermion)의 형태로 존재할 수 있음을 예측하고 에너지-역격자공간에서의 스펙트럼을 정확히 기술하여, 실제 물질에서 양자스핀액체 상태에 대한 정확한 실험적 검증이 가능하다. 또한 이 모델은 외부자기장이 가해질 때 시스템의 들뜸 상태가 위상양자컴퓨터의 중요 요건인 비가환 애니온(non-Abelian anyon) 입자의 성질을 보일 것으로 예측한다. 본 연구를 통해 중성자 비탄성산란 측정기법을 이용하여 키타에프 양자스핀액체에서 발현되는 위상학적 질서 현상을 이해하고 마요라나 페르미온 준입자의 성질을 규명하며 비가환 애니온의 존재의 검증을 시도하였다.

□연구 목표대비 연구결과
본 연구에서 중앙대학교 연구진과 함께 국내 최초로 키타에프 모델에 가장 근접한 물질인 염화루테늄(RuCl3)의 고순결 단결정 합성에 성공하였으며 합성된 단결정이 키타에프 모델 구현의 필수 조건중 하나인 이상적인 벌집구조 형태의 층상 구조를 구현한 세계 최초의 고순결 결정임을 회절 실험을 통해 확인하였다. 또한 키타에프 양자스핀액체의 직접적인 증거 중의 하나인 스핀들뜸상태의 분수화된 준입자(fractionalized quasi-particle)가 입자와 반입자의 성질을 동시에 갖는 마요라나 페르미온(Majorana fermion)의 형태로 존재할 수 있음을 중성자 비탄성 산란실험으로 통해 에너지-역격자공간에서의 스펙트럼을 정확히 기술하여 실험적으로 규명하였다. 또한 외부자기장이 가해질 때 시스템의 기저상태가 반강자성 자성체에서 양자스핀액체 상태로의 양자상전이가 일어나는 것에 대한 실험적인 증거들을 확보하였다. 본 과제수행의 결과로 Nature Physics 1편을 포함한 총 2편의 SCI 논문을 발표하였으며 비가환 애니온에 대한 실험적 규명은 미완의 과제로 남았으나 키타에프 양자스핀 액체에 대한 물리적 이해의 큰 진전을 이루었다.

□연구개발결과의 중요성
본 과제에서 수행한 연구결과는 이론적으로만 예측된 키타에프 양자스핀액체의 스핀분수화 및 기저 양자 현상에 대한 최초의 실험적 규명이다. 특히 이탈리아 물리학자인 에토레 마요라나가 1950년대 수학적으로 제안한 미지의 입자인 마요라나 페르미온의 실체를 하여 지난 반세기동안 가려졌던 베일을 걷어낼 수 있는 성과임에 틀림없다. 하지만 위상양자컴퓨터 연산모델의 중요한 조건인 비가환 애니온의 실험적 검증은 아직 미완의 과제로 남아있다. 향후 후속연구를 통해 본 연구결과를 바탕으로 비가환 애니온의 실증이 가능하다면 응집물질물리 분야의 획기적인 진전이 될 뿐만 아니라 최근 4차산업혁명 시대의 핵심적 기술인 양자정보분야 발전에 큰 기여를 할 것으로 전망한다.

(출처 : 요 약 문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 7
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 10
• 4. 참고문헌 ... 10
• 5. 연구성과 ... 11
• 끝페이지 ... 12