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마요라나 입자란 무엇인가?

fiction-google 2024. 2. 11. 03:09
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 현재보다 몇 만 배의 고속 정보처리가 가능한 차세대 컴퓨터로 양자 컴퓨터가 거론되고 있다. 하지만 양자의 성질상 정보를 유지하는 것에는 취약하다는 점이 발목을 잡는다. 그런데 그 장벽을 뛰어넘을 수 있는 기술이 등장하는 것이 아닌가 기대를 모으는 이슈가 등장한다.

학술지 네츄럴 메터리얼지에 실린 논문을 보면 모든 물질의 운동이 정지하는 극저온 상태에서도 액체와 같은 움직임을 보이는 ‘양자스핀 액체’라는 상태가 현실에서 관측되었다고 한다. 그리고 이것이 ‘마요라나 입자’라고 하는 양자컴퓨터의 현실화에 필요한 키가 되는 입자의 존재를 시사한다는 것이다.

요번 연구는 미국과 영국, 독일의 연구기관이 힘을 합쳐 얻어낸 성과였다. 키타에프 모형이라 불리는 벌집 형태의 평면구조를 지닌 삼염화루테늄이라는 물질에 중성자를 쏘아 그 성질을 조사해 보았더니 극저온에서 양자스핀액체라 불리는 상태가 나타났다는 것을 확인했다.

이 양자스핀액체란 모든 운동이 정지한다는 마이너스 273.15도의 절대영도에 가까운 온도에서도 액체의 성질을 띤다는 놀라운 상태이다. 여기서 스핀이란 물질의 원자를 구성하는 전자의 회전을 말하는 것이다. 통상적으로 물질은 극저온이 되면 운동을 정지하게 되며 구성전자들의 모든 스핀 방향이 정렬되는 ‘강자성 질서’가 되거나, 인접한 전자들끼리 스핀방향이 서로 다른 ‘반강자성 질서’ 이 둘 중 한 가지 상태가 되어 버린다. 그런데 요번 벌집 구조의 물질의 경우 인접한 스핀과 조화를 하려 하지 않고 계속 움직이며 마치 액체와 같은 현상이 나타난 것이다. 그래서 그 이름이 양자스핀 액체라 명명되었다.

이 현상은 지금까지 슈퍼컴퓨터로 시뮬레이션을 돌려보고 실험으로 확인을 해 보았어도 얻지 못했던 결과로, 요번과 같은 평면구조를 지닌 물질로 중성자를 이용해 자성을 관측하는 직접적인 증거를 얻게 된 것은 사상 처음 있는 쾌거이다.

그럼 왜 양자스핀액체의 존재를 직접적으로 확인한 것이 중대한 것인가 생각해 보자. 그것은 이 현상이 마요라나 입자라는 수수께끼 물질의 존재를 시사하는 것이기 때문이다.

‘마요라나 페르미온’이라고도 불리는 이 입자는 20세기 전반에 활약하던 이탈리아의 물리학자 에토레 마요라나(Ettore Majorana)가 그 존재를 예언했던 입자이다.

‘입자와 반입자가 동일한 페르미입자’라고 하는 난해한 정의를 내렸었지만 그 존재는 아직 확인된 적이 없었다. 하지만 안정성이 매우 높다는 데에서 양자 컴퓨터에 이용할 수 있을 것이라는 기대를 모으고 있었다. 마요라나는 로마대학에서 페르미의 추정등으로 유명한 저명한 과학자인 엔리코 페르미 밑에서 연구를 하던 인물이다. 마요라나는 젊었지만 누구보다 천재성이 있었다. 그는 많은 발견을 하였는데 마요라나입자를 언급한 것이 1937년으로 그의 나이 31세 때였다. 그런대 이상하게도 그 다음 해에 나폴리에서 이탈리아 팔레르모로 배로 이동하던 중 종적을 감추고 만다. 수수께끼의 행방불명은 아직까지도 풀리지 않고 있지만 그가 80년 전에 남긴 이론은 현대에 와서야 증명이 되려 하고 있다. 아인슈타인이 100년전에 언급했던 중력파도 현대에 들어 증명이 되면서 놀라움을 샀고, 양자역학의 여명기에 예상되었던 수 많은 이론들도 현대에 와서야 실증이 가능한 시대로 접어들고 있다.

어쩌면 우리의 과학적 진보는 앞으로의 100년이 키가 될지도 모른다. 일단 양자컴퓨터가 완성된다면 우리의 과학적 진보 속도는 현재의 수십 배가 될 것이며 인공지능의 완성 또한 기대해 볼만 할 것이다. 다만 인간이 그 기술을 올바르게 사용할 수 있기만을 기도해 본다.

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