상온 양자컴퓨터 연구에 쓰일 물질 구현, 카고민은 기존 물질과 무엇이 다른가

서울대 연구팀이 유효질량이 무한대인 전자의 특성을 지닌 2차원 물질 ‘카고민’을 세계 최초로 구현하고, 그 전자 구조를 관찰했다. 고온에서 양자 현상을 유지하거나 양자컴퓨터를 만든 성과는 아니며, 향후 더 높은 온도에서 양자 현상을 연구할 기반을 마련한 것이다.

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

카고민은 원자들이 ‘카고메’ 격자로 연결된 물질이다. 정삼각형과 정육각형이 맞물려 반복되는 구조로, 탄소 원자가 벌집 모양으로 배열된 그래핀과 마찬가지로 2차원 물질의 한 사례다. 카고민에 유효질량이 무한대인 전자가 존재할 것이라는 예측은 1980년부터 있었지만, 실험으로 구현된 적은 없었다.

유효질량은 결정 안에서 전자가 얼마나 자유롭게 움직이는지를 나타내는 겉보기 질량이다. 무한대에 가까운 전자는 결정 속에서 거의 움직이지 않는다.

연구팀은 알칼리 금속과 전이금속, 칼코겐 원소를 이용해 카고민을 만들었다. 미국과 영국의 방사광 가속기 시설에서 전자 구조를 분석해 무한대 유효질량 전자를 직접 관찰했다. 이 전자의 상태가 주변 온도가 높아져도 안정적일 수 있다는 예측은 특수한 준입자인 애니온 연구와 연결된다.

애니온은 위상 양자컴퓨터를 구현할 유망한 후보로 꼽힌다.

카고민의 무한대 유효질량 전자 밀도는 2차원 물질을 비틀어 겹쳐 같은 특성을 만들던 기존 물질보다 220배 이상 높다. 원문은 이런 전자의 밀도가 높을수록 애니온이 더 높은 온도에서도 양자 상태를 안정적으로 유지한다고 설명한다.

이 관계를 근거로 연구팀은 기존에 2.5켈빈(−270.65℃) 이하에서만 구현됐던 애니온을 카고민으로 280켈빈(6.85℃)에서도 구현할 수 있을 것으로 전망했다. 이는 이번에 애니온을 구현했다는 뜻도, 상온 양자컴퓨터를 실현했다는 뜻도 아니다.

강민구 교수팀은 카고민 기반 차세대 양자소자와 상온 양자현상을 연구할 계획이라고 밝혔다.