▲ (왼쪽상단) 실제 양자링의 모양 (왼쪽하단) 바이엑시톤-위그너분자의 모식도 (오른쪽) 분수형 광학적 아하로노프-봄 진동신호의 실험과 이론결과 비교.(제공=한국연구재단)

그동안 이론적으로 알려져 왔던 ‘분수형 아하로노프-봄 효과(AB 효과)’가 수십 나노미터(㎚·10억분의 1m)크기의 양자링에서 AB 효과가 발생할 수 있다는 사실을 국내 연구진이 세계 최초로 규명했다.

이로써 나노크기의 링에서 상호작용이 강한 두개의 전자는 어떻게 회전하는지에 대한 궁금증도 풀 수 있게 됐다.

한국연구재단(이사장 정민근)은 교육부의 지원을 받아 김광석 부산대 교수, 송진동 한국과학기술연구원(KIST) 박사 공동연구팀이 양자링의 분수형 AB 효과 측정을 통해 기존 연구에서 알려진 극저온 온도 환경보다 수백 배 높은 온도에서도 ‘양자간섭효과’가 발생할 수 있음을 광학적으로 규명했다고 3일 밝혔다.

분수형 AB 효과는 아하로노프(Aharonov)와 봄(Bohm) 두 과학자가 고안한 효과로 상호작용이 강한 두 개의 전자에 의해 강체처럼 일정한 모양을 유지하는 전자로 구성된 위그너 분자에 의해 아하로노프-봄 진동 주기가 분수 비율로 줄어드는 현상을 말한다.

이처럼 전자들이 위그너 분자를 형성해 나타나는 분수형 AB효과는 지금껏 완전히 밝혀지지 않은 양자현상의 근본 원리와 해석에 놀라울 단서를 제공할 것처럼 보였지만 실험적으로 관측된 사례없이 이론적으로만 분수형 AB효과가 알려져 왔다.

이런 가운데 김광석·송진동 연구팀은 양자링 구조 내 한 쌍의 엑시톤(전하량의 절대치는 동일하지만 부호가 반대인 전자와 정공이 정전기적 인력에 의해 결합한 전자-정공 짝입자)들이 마주보며 쌍엑시톤을 형성하면 분수형 AB 진동이 발생하고, 위그너 분자 모형 이론에서 예측한 것처럼 모양과 거리를 일정하게 유지하며 마치 아령처럼 회전하고 있다는 것을 실험과 이론 모형을 통해 세계 최초로 입증했다.

연구재단 측은 이번 연구결과는 “그동안 이론적으로만 예측 가능했던 양자링 내부에 위그너 분자 존재가능성에 대한 세계 최초의 실험적 검증”이라고 설명했다.

김광석 교수는 “양자링은 테두리를 회전하는 상태가 추가돼 양자상태제어 기술이 필요한 양자통신이나 양자컴퓨터 분야에 활용될 가치가 높고, AB효과에 대한 광학적 연구가 가능해 서로 다른 중시계 분야와 양자광학 분야의 지식이 융합된 새로운 양자제어기술에도 이바지할 수 있을 것으로 기대한다”면서 실용적 가치를 전망했다.

연구 논문은 나노 분야 학술지인 ‘나노레터’ 1월 14일자에 실렸다.