세계 최초 '스핀 네마틱' 관측한 김범준 교수, 12월의 과기인상

(서울=뉴스1) 김민재 기자 = 과학기술정보통신부와 한국연구재단은 이달의 과학기술인상 12월 수상자로 김범준 포항공과대학교(POSTECH) 물리학과 교수를 선정했다고 4일 밝혔다.

과기정통부와 연구재단은 김범준 교수가 이리듐 산화물(Sr2IrO4)로 이뤄진 양자 물질에서 세계 최초로 스핀 네마틱 상을 관측해 양자컴퓨팅과 초전도체 등 미래 혁신 기술의 경쟁력을 제고한 공로를 높이 평가했다고 했다.

네마틱 상은 휴대전화 화면에 쓰이는 액정과 같이 액체와 고체 성질을 동시에 갖는 상태를 가리킨다. 스핀은 양자역학에서 입자의 운동과 무관한 고유 성질을 뜻한다. 원자 단위의 '작은 자석'과 같다. 이는 다양한 물리 현상을 설명하는 데 중요한 역할을 한다.

양자역학적인 스핀 네마틱 상의 존재는 반세기 전에 이론적으로 예측됐다. 하지만 최근까지도 실험을 통한 관측은 이루어지지 않았다. 원자 단위의 작은 자성을 가진 스핀은 네마틱 상이 되면 자성이 사라져 기존 기술과 장비로는 관측이 어렵기 때문이다.

관측을 위해 김범준 교수는 세계에서 3번째로 고분해능 X-선 산란 분광기(RIXS)를 개발하고 포항가속기연구소 내에 구축해 연구를 수행했다.

이를 통해 스핀 양자물질이자 고온 초전도체 후보물질인 이리듐 산화물에 X선을 조사하며 양자 스핀 네마틱 상의 존재를 세계 최초로 관찰했다.

또한 이리듐 산화물에서 스핀의 공간적 구조를 완전히 해독했다. 여러 개의 스핀 사이에 양자 얽힘이 존재한다는 사실도 밝혔다.

지금까지 고온 초전도 현상은 스핀 액체에서 발생하는 것으로 알려졌다. 하지만 김 교수는 스핀 네마틱 상에도 양자 얽힘이 존재함을 확인해 이리듐 산화물에서 고온 초전도 상이 존재할 가능성을 제시했다. 연구 주요 내용은 2023년 12월 국제학술지 네이처(Nature) 온라인판에 게재됐다.

김범준 교수는 "이번 연구는 이론적으로 반세기 전에 예측된 스핀 네마틱 상의 존재를 실험적으로 확인한 데 의의가 있다"며 "앞으로 이 물질상의 특성을 잘 이해하게 되면 고온 초전도체 등에 새로운 응용 가능성이 있을 것"이라고 했다.

minjae@news1.kr