일본산업뉴스요약

저가 ‘스핀 액체’ 개발 성공
양자 컴퓨터와 초전도 등에 사용 기대

도호쿠대학 재료과학고등연구소의 Komas Prassides 교수와 다카바야시 교수, 영국 리버풀 대학의 Matthew Rosseinsky 교수는 저렴한 탄화수소 분자 ‘페난트렌’에 전자를 도입하는 것으로 자석의 기준이 되는 스핀이 액체 같은 ‘스핀 액체’ 상태를 만들어 내는 것에 성공했다. 저렴한 물질로 인해 양자 컴퓨터와 초전도 등에 도움이 되는 고기능 재료를 만들 가능성이 있다.

자석은 다수의 전자 스핀이 다량으로 모여 이루어져 있다. 통상의 자석은 고온에서는 여러 방향으로 회전하지만 저온에서는 한 방향 혹은 교대로 반대 방향에 정렬하는 성질을 가진다.

하지만 스핀 액체라고 하는 상태가 되면 절대영도(마이너스 273도C)와 극저온이 되어도 격렬하게 움직인다. 1973년에 이론이 예측되었지만 실험으로 실현하는 것은 극히 어려운데다가, 재현에 성공하여도 희소 금속과 중원소를 사용하는 등의 과제가 있었다. 탄소수소는 자원의 공급제약이 없어 분자 구조를 개조하여 기능을 이끌어내기 쉽다.

연구 그룹은 페난트렌과 세슘을 1 대 1로 혼합한 액체를 만들었다. 세슘 원자로부터 페난트렌으로 이동한 전자가 스핀 액체가 된다. 액체 중에서는 페난트렌이 나선과 단삼각열과 뒤섞인 것처럼 배치된다.

페난트렌 안의 스핀들이 반 평행으로 정렬되지 않기 때문에 스핀이 고정되지 않고 계속 흔들린다.

실온에서의 반응에서 균일한 결정을 만들었다. 구조를 비슷하게 하는 것으로 다른 탄화수소에서도 스핀 액체를 발현할 수 있다고 기대할 수 있다.

스핀 액체는 스핀의 방향이 흔들려 복수의 상태가 겹쳐져 있다. 방대한 정보를 계산하는 양자 컴퓨터 등의 후보 재료로서 기대되고 있다.

성과는 영국 과학지 네이처 케미스트리에 25일 게제된다.

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