양자물질연구는 세계석학들에 의해 ‘Quantum Materials Roadmap’이 작성되어 발표될 정도로 21세기 과학발전의 최전선에 위치해 있다. 주요 연구 분야로 특이초전도, 위상상관물성, 양자스핀액체 등과 같은 다양한 형태의 발현양자물성뿐 아니라 초전도/반도체 큐빗, 비틀림 2차원 물질, 마요라나 입자기반 위상소자 등의 극한 양자기능성 탐구 및 구현 등으로 분류할 수 있다.

양자물질 및 양자기술의 기초연구는 1차적인 양자 자유도(전하, 스핀, 오비탈, 격자구조 등)에 대한 제어 및 이로부터 발현되는 물성에 초점을 맞춰왔다고 할 수 있다. 한편 새로운 양자기능성을 갖고 있는 물질들에 대한 연구는 이에서 한 발짝 더 나아간 양자역학적 창발 자유도인 마요라나 상태, 비틀린 무아레 패턴 및 초전도 상태 등의 생성을 확인했으며, 이를 효과적으로 제어하는 방식으로 진행되고 있다. 극한 제어를 통한 위상 큐빗의 안정적 실현과 위상 큐빗의 동역학 제어를 위한 양자 소자 개발은, 별난 양자상에 대한 근본적 이해와 더불어 양자 과학의 궁극적 목표 중 하나인 양자 컴퓨터의 설계 및 제작에 혁신적인 기반 기술을 제공한다. 미시세계의 가장 흥미로운 성질인 양자 얽힘 및 이에 직접적으로 연관된 현상들을 나노 소자에 구현해내는 노력이 진행되고 있으며 이의 성공적인 수행은 응집물질물리 및 양자 물성 연구의 패러다임을 전환하는 계기가 될 수 있을 것이다.

창발적 양자 자유도는 양자 컴퓨팅(e.g. 마요라나 상태→위상 큐빗, axion 제어→dissipation 없는 얽힘 정보 전달 채널) 및 상온 초전도성 구현 등의 차세대 양자 기술의 핵심적인 요소들이다. 양자 통신 및 양자 암호 등 양자 기술 관련 일부 분야에서 국내 기업 및 산업계 연구진들이 현재 주목할 만한 성과를 내고 있는 상황이나, 양자 큐빗 구현과 같은 하드웨어 및 물질 관련 국내 산업계의 진척 상황은 현재 구글, IonQ, D-Wave와 같은 해외 기업들에 비해서는 매우 더딘 상황이다. 장차 다가올 양자 기술의 혁명적 발전 및 이를 통한 산업계 패러다임 전환에 대비하기 위해서는 국내 학계의 양자 물성 및 기능성 연구가 성숙하여야 하며, 구체적으로는 양자 소자 제작 및 기능성 물성 구현을 위한 물질 합성, 디자인, 그리고 극한 물성 제어 방법론이 확립되어야 할 것이다.

본 특집호에서는 극한 양자기능물질과 관련된 연구결과와 연구 동향에 관한 3개의 소개글을 실었다. 서강대 백현준 교수님과 본 편집위원은 전통적인 양자물질의 한계를 뛰어넘는 신기능 양자물질에 대해 소개하였다. 강원대 김흥식 교수님, 고려대-세종 이현용 교수님, 그리고 서울대 유재준 교수님은 양자물질 이론 및 계산연구에 돌파구를 제공할 것으로 기대되는 기계학습을 통한 고압 상온 초전도 물질 탐색과 텐서 그물망 이론을 통한 위상 초전도성 및 위상 다체물성의 이해를 소개하였다. 이화여대 서동석 교수님, 성균관대 차승남 교수님은 다양한 소자 설계 및 소자 기반의 양자기능성의 구현 방법 및 그 물리적 특성 연구에 대해 고찰하였다. 매우 바쁜 중에도 시간을 내어서 집필을 해주신 여러 교수님들께 깊은 감사를 드린다.

본 연구소개가 극한 양자기능물질 연구에 대한 관심과 발전에 큰 계기가 되기를 바란다.

[객원 책임편집위원 성균관대학교 물리학과 교수 박두선 (tp8701@skku.edu)]