전북대학교 진경환 교수(물리학과·G램프 물질에너지기초과학연구소) 연구팀이 국제 공동연구를 통해 상온 영역까지 유도되는 엑시톤 양자 응축상태에서 불순물에 의해 발생하는 새로운 대칭성 깨짐과 양자 속박 상태를 최초로 관찰한 연구 결과를 나노과학 분야 세계 최고 권위 학술지인 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology, IF 37.5, JCR 상위 1%급)’ 온라인판 최신호 9월 3일자에 게재됐다.

이번에 발표된 논문의 제목은 ‘엑시톤 응축물에서의 결함 유도 속박 상태; 유-시바-루시노프 상태의 아날로그(Defect-bound states of exciton condensate; a Yu-Shiba-Rusinov-state analogue)’이다.

초전도체와 같은 거시적 양자 응축 시스템에서는 자성 불순물과의 상호작용을 통해 결합이 깨지면서 에너지 갭 내부에 특이한 양자 속박 상태(유-시바-루시노프, 이하 YSR 상태)가 만들어지는 현상이 잘 알려져 있다. 이론적으로는 전자와 정공이 결합해 형성되는 '엑시톤 응축체(Exciton condensate)'에서도 전하 불순물에 의해 이와 유사한 YSR 상태가 존재할 것으로 예측되어 왔으나, 실제 실험적으로 이를 직접 관찰한 것은 학계 최초다.

이번 연구는 기존 초전도체에서만 관찰되던 고유한 다체 양자 현상을 엑시톤 응축체에서 최초로 실증해낸 성과이며 상온 수준에서도 유지되는 고온 엑시톤 응축물의 미시적 양자 특성을 정밀하게 제어·측정할 수 있는 새로운 도구를 제시하고 있다. 향후 에너지 손실이 없는 초고속 양자 정보 소자 및 양자 간섭성 광전 소자 분야로의 응용 확장 가능성을 열었다.

한편, 이번 연구는 전북대학교 물리학과, 기초과학연구원(IBS) 원자제어 저차원 전자계 연구단, 포항공과대학교(POSTECH), 미국 뉴욕주립대 버팔로 대학교(University at Buffalo) 등이 참여한 국제 공동 연구로 수행되었으며, 과학기술정보통신부 한국연구재단의 대학기초연구소 지원사업(G-LAMP) 등의 지원을 받아 수행되었다.