흔한 자석 코발트가 상온에서 살아남는 양자 상태를 숨기고 있었다

코발트는 지구에서 가장 철저히 연구된 자석 가운데 하나로, 교과서를 채우고 배터리부터 제트 엔진까지 어디에나 등장하는 원소다. 베를린 헬름홀츠 연구소(Helmholtz-Zentrum Berlin)의 물리학자들은 이번에 코발트가 기묘한 전자 상태의 촘촘한 그물을 숨기고 있었고, 그 그물이 상온에서도 유지된다는 사실을 밝혀냈다.

이 상태는 자기 노달선이라 불린다. 스핀 방향에 따라 갈린 두 전자 흐름이 충돌하지 않고 교차하며, 낱낱의 점에서 만나는 대신 결정을 가로지르는 연속한 경로를 그리는 자리다. 이런 성질은 위상수학적 성질, 곧 물질의 구조에 너무 깊이 새겨져 있어 평범한 교란으로는 지울 수 없는 특징을 다루는 물리학의 한 분야에 속한다. 코발트에서 연구진은 이 교차가 드문 한구석에 갇히지 않고 금속 전체에 짜여 있는 것을 발견했다.

놀라운 점은 상태가 존재한다는 것만이 아니라, 보통 방의 온기를 견뎌낸다는 것이다. 물리학자들이 쫓는 양자 거동의 대부분은 절대영도 부근, 즉 열이 걷히고 연약한 효과가 비로소 보이는 곳에서만 나타난다. 코발트의 노달선은 그보다 수백 도 높은 곳에서도 버틴다. 그것이 실험실의 진기한 구경거리와 실제 소자가 쓸 수 있는 무언가의 차이다.

그것을 보기 위해 연구진은 각분해·스핀분해 광전자 분광법을 사용했다. 빛으로 물질에서 전자를 때려내고 그 에너지와 스핀 방향을 함께 기록하는 기법이다. 측정이 요구하는 강하고 정밀하게 조율된 빛을 내는 베를린의 싱크로트론 BESSY II에서 수행했다. 높아진 분해능 덕분에 코발트의 전자 구조를 이전 연구보다 훨씬 자세히 그려낼 수 있었고, 그렇게 수십 년간 눈에 띄지 않던 그물이 마침내 모습을 드러냈다.

“실용적 응용에 필요한, 바로 그런 켜고 끄는 기능”이라고 국제 연구진을 이끈 하이메 산체스바리가는 말한다. 상태가 코발트의 자성에 묶여 있기에, 자기장의 방향을 뒤집으면 이를 제어할 수 있다. 엔지니어들이 스핀트로닉스를 위해 원하는 손잡이다. 스핀트로닉스는 정보를 전하 대신 전자의 스핀에 담는 전자공학으로, 더 빠르고 덜 뜨거운 칩을 약속한다.

이 연구는 물질의 성질을 잰 측정이지 작동하는 소자가 아니며, 그 간극은 넓다. 싱크로트론 빔 아래 결정에서 위상학적 상태를 지도화하는 일은 그것을 대규모로 활용하는 칩을 만드는 일과는 거리가 멀고, 다른 연구진이 결과를 재현하고 그 효과가 정성껏 준비한 시료 밖에서도 유지되는지 시험해야 한다. 저자들은 코발트를 완성된 기술이 아니라 탐구할 조정 가능한 플랫폼으로 묘사한다.

그럼에도 매력의 일부는 코발트가 그토록 평범하다는 데 있다. 이미 채굴되고 정련되며 산업 규모로 제조되는 물질은, 양자 연구를 지배하는 희귀하거나 까다로운 화합물보다 받아들이기가 훨씬 쉬울 것이다.

연구 결과는 학술지 Communications Materials에 실렸다. 연구진은 자기장을 회전시킬 때 노달선이 어떻게 반응하는지 지도화할 계획이며, 이는 코발트의 숨은 구조를 실제로 쓸 수 있는지 알아보기 위한 다음 걸음이다.

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