질량 무한대 전자 품은 카고민 첫 구현…애니온 고온 구현에 어떻게 쓰이나

서울대 연구팀이 유효질량이 무한대인 전자가 포함된 2차원 물질 ‘카고민’을 세계 최초로 구현했다.

연구 결과는 2026년 10월 15일 국제학술지 ‘네이처 피직스’에 게재됐고, 서울대는 같은 달 21일 이를 발표했다.

카고민은 위상 양자컴퓨터의 유망 후보인 애니온을 높은 온도에서 구현하는 데 활용될 가능성이 있다.

카고민은 원자가 정삼각형과 정육각형이 맞물려 반복되는 ‘카고메’ 격자로 연결된 물질이다.

탄소 원자가 벌집 모양으로 배열된 그래핀처럼 2차원 구조를 이룬다.

유효질량은 전자의 실제 질량이 아니라 결정 안에서 전자가 얼마나 자유롭게 움직이는지를 나타내는 겉보기 값이다.

유효질량이 무한대에 가까우면 전자는 결정 안에서 거의 움직이지 않는다.

카고민에 이런 전자가 존재할 것이라는 예측은 1980년부터 있었지만, 실험 구현은 이번이 처음이다.

강민구 서울대 물리천문학부 교수팀은 알칼리 금속과 전이금속, 칼코겐 원소를 이용해 카고민을 만들었다.

미국과 영국의 방사광 가속기 시설에서 전자 구조를 분석해 유효질량이 무한대인 전자를 직접 관찰했다.

이 전자는 주변 온도가 높아져도 안정적인 상태를 유지할 수 있어, 높은 온도에서 특수한 양자현상을 구현할 가능성이 있다고 예측돼 왔다.

양자컴퓨터와 연결되는 핵심은 카고민 자체가 아니라 그 안에서 나타날 수 있는 ‘애니온’이다.

애니온은 2차원 물질에서 나타날 수 있는 특수한 준입자로, 위상 양자컴퓨터를 구현할 유망 후보로 꼽힌다.

유효질량이 무한대인 전자의 밀도가 높을수록 애니온의 양자 상태를 높은 온도에서도 안정적으로 유지할 수 있다는 점이 주목된다.

카고민의 해당 전자 밀도는 2차원 물질을 비틀어 겹쳐 만든 기존 재료보다 220배 이상 높았다.

연구팀은 이를 바탕으로 지금까지 2.5캘빈(−270.65℃) 이하에서만 구현됐던 애니온을 280캘빈(6.85℃)에서도 구현할 수 있을 것으로 전망했다.

이는 가능성에 대한 전망이지, 애니온이나 상온 양자컴퓨터를 이미 구현했다는 의미는 아니다.

강 교수는 카고민 기반 차세대 양자소자를 만들고, 핵심 양자현상과 양자기술을 상온에서 구현하는 연구를 추진하겠다고 밝혔다.