그래핀 유사체에서 양자 스핀 홀 효과를 관측하다
Synopsis: Quantum Spin Hall Effect Seen in Graphene Analog

그래핀의 원자가 밴드와 전도 밴드는 한 지점에서 만나 단일층 결정을 준금속으로 만든다. 연구자들은 탄소 외부 전자의 스핀-궤도 결합이 이러한 밴드 사이에 좁은 갭을 열지만, 결정의 벌크에 대해서만 그럴 것으로 생각해왔다. 가장자리를 따라 스핀-의존 상태는 밴드 갭을 연결하여 전자의 저항 없는 흐름 즉 양자 스핀 홀 효과를 허용한다. 그러나 탄소의 스핀-궤도 결합은 매우 약해서 이 양자 스핀 홀 효과를 관찰하기가 쉽지 않다. 최근 네덜란드 Twente 대학의 Pantelis Bampoulis와 연구팀은 그래핀의 게르마늄(Ge) 유사체인 게르마닌에서 양자 스핀 홀 효과를 관측하였다.1) 또한 그래핀처럼 벌집 구조이지만 약간 구부러진 게르마닌에서 전기장을 사용하여 양자 스핀 홀 효과를 켜고 끌 수 있음을 보였다.

Bampoulis와 연구팀은 Ge2Pt 기판 위 Ge 완충 층 위에 게르마닌 단일 층을 성장시켰다. 그들은 주사 터널 현미경을 사용하여 게르마닌의 가장자리와 벌크 상태를 구별하고 층에 수직인 외부 전기장 하에서 전류가 전압에 어떻게 의존하는지 측정했다. 낮은 전계 강도에서 게르마닌은 게르마늄의 강력한 스핀-궤도 결합으로 인해 양자 스핀 홀 효과가 견고하였다. 높은 전계 강도에서는 가장자리 상태는 더 이상 갭을 연결하지 않으며 게르마닌은 절연체가 된다. 그러나 중간의 임계 값에서 게르마닌은 전도 밴드와 원자가 밴드가 합쳐지고 양자 스핀 홀 효과를 지속하는 대칭성이 파괴됨에 따라 위상 상전이가 일어났다.

게르마닌의 양자 스핀 홀 효과와 그것이 전기장으로 꺼질 수 있다는 사실은 게르마닌이 상온 위상 전계 효과 트랜지스터를 만드는 데 사용될 수 있음을 시사한다.

복잡한 양자 네트워크의 양자성 증명
Synopsis: Proof That a Complex Quantum Network Is Truly Quantum

1964년에 John Stewart Bell은 한 쌍의 얽힌 입자 각각에 대한 측정 사이의 상관관계가 양자 세계의 근본적인 비고전적 특성을 확인해 줄 수 있다고 예측했다. 지난 몇 년 동안 연구자들은 고전적 설명을 배제할 만큼 충분히 엄격한 Bell 테스트를 다양한 방법으로 수행했다. 최근 중국과 스페인의 연구자들은 더 복잡한 시스템, 즉 두 소스에서 생성된 얽힌 입자 쌍을 세 곳에서 측정하는 양자 네트워크에 대해 같은 작업을 수행했다.2) 그들은 양자 현상에 대한 그들의 “엄격한” 확인이 미래의 보안성 있는 양자 통신 네트워크 개발을 촉진할 것이라 말한다.

비고전성에 대한 엄격한 테스트를 수행하고 국소적 사실성의 고전적 가정이 틀렸음을 증명하려면 실험을 조심스럽게 설계해야 한다. 측정을 수행하는 당사자가 실험 중에 고전적으로 통신할 수 있거나 얽힌 입자를 생성하는 두 장치가 서로 영향을 미칠 수 있다면 아마도 양자 거동에 대해 고전적 해석이 존재할 수 있다. 양자 통신 네트워크에서는 이러한 허점이 도청을 가능하게 할 수 있다.

실험에서 연구자들은 네트워크의 각 요소를 약 100 m 떨어져 배치하여 이러한 허점을 막았다. 또한 서로 다른 양자 난수 생성기를 사용한 세 곳의 측정으로써 측정이 진정으로 서로 독립임을 확실히 한다. 이러한 예방 조치를 통해 연구자들은 네트워크가 완전한 네트워크 비국소성이라는 조건을 충족한다는 것을 보여줌으로써 얽힌 입자의 소스 중 어느 것도 고전 물리학으로 설명할 수 없음을 주장한다.

레이저 냉각 분자의 고밀도 신기록 수립
Synopsis: A Record Density for Laser-Cooled Molecules

기초 물리학 및 강상관 양자 시스템에 대한 정밀 테스트에는 밀집된 분자들을 양자 겹침 상태로 만들 수 있는 직접 레이저 냉각 기술이 필요하다. 콜로라도 볼더 대학의 Justin Burau와 연구팀은 분자 구름을 압축하는 동시에 도플러 온도 이하로 냉각하는 독특한 자기-광학 트랩을 사용하여 이러한 목표를 향한 진전을 발표했다.3) 그들이 접근 방식은 기체가 얼마나 “양자”적인지를 나타내는 위상 공간 밀도를 이전보다 수백 배 더 높였다.

분자 구름을 양자 겹침 상태로 냉각하려면 여러 단계의 과정이 필요하다. 먼저, 세 쌍의 마주 진행하는 레이저 빔이 사중극자 자기장의 영점에 수렴하도록 하는 자기-광학 트랩(magneto-optical trap, MOT)에서 구름을 가두어 수십 mK까지 냉각한다. 그리고 구름은 증발 냉각을 통해 온도를 수십 nK까지 낮추는 보존 트랩(conservation trap, CT)으로 옮긴다. 이 접근 방식의 문제점은 분자 공명에 대해 “적색 틀어짐”된 분자 MOT에 일반적으로 사용되는 레이저가 도플러 냉각 한계 이하로 내려갈 수 없으므로 상대적으로 따뜻한 확산하는 구름을 생성하여 결과적으로 CT로 전송되는 분자의 수 밀도가 일반적으로 낮다는 것이다.

Burau와 연구팀은 gray molasses 냉각법을 이용해 이트륨 산화물 분자를 냉각하였다. 이 기술은 청색으로 틀어진 레이저를 사용하여 분자를 “어두운” 기저 상태로 유도하여 입사 광자의 흡수를 중단시킨다. 그리고, 특정 편광 구성의 빛을 MOT의 사중극자 장과 함께 사용하여 서브 도플러 냉각을 달성하고 구름을 압축하는 포텐셜을 생성하였다. 연구진은 이러한 부피 압축이 현재 몇 퍼센트에 불과한 CT로의 전송 효율을 획기적으로 높이는 데 이바지할 것이라고 말한다.

초전도체 없는 위상 초전도
Synopsis: Topological Superconductivity without Superconductors

오늘날의 양자 컴퓨터는 환경 잡음에 민감한 장치이다. 그래서 물리학자들은 잡음에 강한 것으로 예측되는 마요라나 페르미온을 활용하는 위상 양자 컴퓨터라는 대안을 찾고 있다. 최근 노르웨이 과학기술대학의 Kristian Mæland와 Asle Sudbø는 이전에 이러한 페르미온이 존재하는 데 필요한 것으로 여겨졌던 초전도 물질 없이 마요라나 페르미온을 생성하는 방법을 제안했다.4) 이 접근법은 재료 선택의 폭을 넓힘으로써 위상 양자 컴퓨터의 실현에 한 걸음 더 다가갈 수 있게 한다.

마요라나 페르미온은 위상 초전도체라고 불리는 특이한 상태의 결정적 특징이다. 현재까지 이러한 상태를 생성하기 위한 대부분의 제안은 초전도체와 강한 스핀-궤도 결합이 있는 물질을 필요로 한다. 자기장하에서 위상 초전도체는 물질 사이의 계면에서 형성된다.

Mæland와 Sudbø가 제안한 모델에서는 원자 한 개 두께의 자성 물질 층이 일반 금속과 강한 스핀 궤도 결합을 가진 중금속 사이에 끼어 있다. 이 결합으로 인해 자성층은 스핀 텍스처의 꼬임인 스커미온이 격자 위에 배열된 “스커미온 결정”을 갖게 된다. 전자를 산란시킴으로써 이 스커미온 결정에서의 스핀 요동은 일반 금속 층에서 전자-전자 상호작용을 유도하여 경계에 위상 초전도 상태를 생성한다.

연구진은 이러한 디자인이 초전도체가 필요하지 않다는 점 외에도 다른 제안된 시스템에 비해 또 다른 이점이 있다고 말한다. 스커미온을 제어할 수 있음으로써 스커미온의 중심에 있는 마요라나 페르미온을 조작하여 논리적 연산을 할 수 있다는 것이다.