양자 스핀 모델, 나노그래핀 분자로 구현
2024년, EMPA 연구진과 협력자들은 합성 물질을 사용해 소위 1차원 교대 하이젠베르크 모델을 처음으로 구현했습니다. 이 양자 물리학 이론 모델은 거의 한 세기 동안 알려져 있으며, 선형 스핀 체인(양자 자성의 일종)을 설명합니다. 이제 EMPA의 나노테크@서피스 연구소 책임자인 로만 파셀(Roman Fasel)이 이끄는 연구진은 이 모델의 “형제” 격인 모델도 실험실에서 재구성했습니다.
교대 모델에서는 스핀이 강약 교차 패턴으로 연결되지만, 새 모델에서는 스핀이 균일하게 연결됩니다. 이 미묘해 보이는 차이는 근본적으로 다른 특성을 낳습니다. 균일한 체인에서는 스핀이 강하게 얽히며 장거리 상관관계를 보이고, 바닥 상태와 들뜬 상태 사이에 에너지 간극이 없습니다. 반면, 교대 체인은 에너지 간극이 생기고, 스핀이 강한 쌍으로 결합하며 상관관계가 빠르게(지수적으로) 줄어듭니다. 연구진은 나노그래핀 스핀 체인을 통해 이론적 양자 물리학의 예측을 정확히 확인했으며, 그 결과는 최근 Nature Materials 최신호에 실렸습니다.
두 모델 모두 2차원 탄소 물질 그래핀의 작은 조각인 나노그래핀으로 구현됐습니다. 이 조각의 모양을 정밀하게 조절함으로써 연구진은 그 (양자) 물리적 특성을 조작할 수 있습니다. 목표는 다양한 양자 모델과 효과를 실험적으로 연구할 수 있는 물질 플랫폼을 개발하는 것입니다.
양자 기술을 실용화에 한 발짝 더 가까이
두 하이젠베르크 실험은 이 접근법을 보여줍니다. 교대 스핀 체인 모델에는 11개의 탄소 고리로 이루어진 모래시계 모양의 나노그래핀 분자인 클라의 잔(Clar's goblets)이 사용됐습니다. 균일한 하이젠베르크 체인에는 5개 고리로 구성된 올림픽 경기장(Olympicene)이 사용됐는데, 이는 올림픽 고리와 닮아 이름이 붙여졌습니다.
파셀은 “나노그래핀으로 양자 물리학 이론 모델을 구현해 그 예측을 실험적으로 검증할 수 있음을 두 번째로 입증했다”고 밝혔습니다. 다음으로 연구진은 나노그래핀을 활용해 페리자성 스핀 체인을 만들고 연구할 계획입니다. 이 체인에서는 자성 모멘트가 반평행으로 정렬되지만 완전히 상쇄되지는 않습니다. 또한, 스핀 체인보다 훨씬 다양한 상(相)을 보이는 2차원 스핀 격자도 큰 관심사입니다. 이는 토폴로지 상태, 양자 스핀 액체, 이국적인 임계 현상 등을 포함해 기초 연구와 실용적 응용 모두에서 매력적입니다.
양자 물리학 교과서 모델을 재현하는 것은 학문적 연습에 그치지 않고 실용적 목적도 있습니다. 양자 기술은 통신, 컴퓨팅 능력, 측정 기술 등에서 획기적인 발전을 약속하지만, 양자 상태는 깨지기 쉽고 그 효과를 파악하기 어려워 실세계 응용 연구가 특히 어렵습니다. EMPA 연구진은 나노그래핀 “양자 레고”로 양자 효과에 대한 깊은 이해를 얻고, 이를 통해 실용 가능한 양자 기술의 길을 열고자 합니다.
연구는 양자 기술의 실용화 가능성을 한 단계 높인 것으로, 양자 컴퓨팅과 관련된 기업들에 긍정적 신호를 줄 수 있습니다.
미국 시장에서 퀀텀 컴퓨팅 선두주자인 IBM, 구글(Alphabet), 리게티 컴퓨팅(Rigetti Computing) 같은 기업들은 이번 성과를 통해 기술 개발에 대한 투자자 신뢰를 강화할 기회를 얻을 수 있습니다. 특히, 나노그래핀이 양자 물리학 모델을 실험적으로 검증하는 플랫폼으로 자리 잡으면, 반도체 소재 혁신에 의존하는 기업들, 예를 들어 엔비디아(NVIDIA)나 인텔(Intel) 같은 주식에도 간접적 파급 효과가 예상됩니다. 이들은 양자 기술의 하드웨어 기반을 제공하는 핵심 플레이어로, 소재 과학의 진보가 제품 경쟁력을 높일 수 있기 때문입니다.
단기적으로는 이 소식이 시장에 즉각적인 충격을 주기보다는 점진적 관심을 끌 가능성이 높습니다. 연구가 스위스 EMPA에서 진행됐다는 점에서 미국 기업의 직접적 연관성은 낮아 보이지만, 글로벌 기술 경쟁에서 양자 기술의 중요성이 커지는 상황을 고려하면, 미국 투자자들은 관련 섹터의 성장성을 재평가할 수 있습니다. 예를 들어, 나스닥(NASDAQ)에 상장된 양자 컴퓨팅 ETF나 테크 중심 펀드가 이번 연구를 계기로 자금 유입을 경험할 가능성도 있습니다. 다만, 양자 기술은 아직 상용화 단계가 아니기에, 과도한 낙관론보다는 신중한 관망세가 주를 이룰 것입니다.
더불어, 이 연구가 2차원 스핀 격자와 같은 복잡한 양자 상태로 확장된다면, 장기적으로는 기술주 전반에 걸친 밸류에이션 재조정이 일어날 수 있습니다. 양자 스핀 액체나 토폴로지 상태는 차세대 암호화, 데이터 처리, 센서 기술의 기반이 될 수 있어, 테슬라(일론 머스크의 혁신 이미지와 연계 가능)나 애플 같은 혁신 기업의 R&D 방향에도 영향을 줄 수 있습니다. 미국 증시에서는 이런 기초 연구가 실질적 매출로 연결되기까지 시간이 걸리지만, 기술주 중심의 성장주 투자 심리가 살아난다면 나스닥 지수에 긍정적 모멘텀을 제공할 여지가 있습니다. 반면, 단기 변동성을 키우는 시장 과열 우려도 배제할 수 없으니, 투자자들은 기술 성과와 주가 간의 괴리를 주의 깊게 살펴야 합니다.
(글의 출처는 sciencedaily이며, 지극히 개인적 생각이 들어가있는 한편의 칼럼이라 봐주시면 감사하겠습니다. 투자 관련 이야기는 리스크가 크기때문에 꼭, 개인의 판단이 동반되어야 합니다. 사진 AI midjourney & Grok - )
