상온 양자컴퓨터용 전자 물질 구현 가능성, 카고민은 어디까지 왔나

서울대 연구팀이 유효질량이 무한대인 전자의 특성을 지닌 2차원 물질 ‘카고민’을 세계 최초로 구현했다. 이번 성과는 양자컴퓨터나 상온 양자현상을 구현한 것이 아니라, 그 가능성을 연구할 물질과 전자 특성을 확인한 것이다. 연구팀은 카고민이 애니온을 더 높은 온도에서 구현하는 데 활용될 수 있다고 전망했다.

카고민은 원자가 정삼각형과 정육각형이 맞물려 반복되는 ‘카고메’ 격자를 이루는 물질이다. 탄소 원자가 벌집 모양으로 배열된 그래핀과 마찬가지로 2차원 구조지만 격자 모양은 다르다. 1980년부터 카고민에 유효질량이 무한대인 전자가 존재할 것이라는 예측이 있었으나, 이를 실험적으로 구현한 사례는 없었다.

유효질량은 결정 속 전자가 얼마나 자유롭게 움직이는지를 나타내는 겉보기 질량이다. 무한대에 가까운 유효질량을 가진 전자는 결정 안에서 거의 움직이지 않는다. 연구팀은 알칼리 금속·전이금속·칼코겐 원소를 이용해 카고민을 만들고, 미국과 영국의 방사광 가속기 시설에서 전자 구조를 분석해 해당 전자를 직접 관찰했다.

연구가 주목받는 까닭은 카고민이 애니온이라는 준입자와 연결될 수 있기 때문이다. 애니온은 위상 양자컴퓨터의 유망한 기반으로 꼽힌다.

무한대 유효질량 전자의 밀도가 높을수록 높은 온도에서도 양자 상태를 안정적으로 유지할 수 있다고 알려져 있는데, 카고민의 해당 전자 밀도는 2차원 물질을 비틀어 겹쳐 만든 기존 물질보다 220배 이상 높았다.

연구팀은 이를 바탕으로 그동안 2.5켈빈(−270.65℃) 이하에서 구현됐던 애니온을 카고민에서는 280켈빈(6.85℃)에서도 구현할 수 있을 것으로 전망했다. 이는 실제 구현 결과가 아니라 연구팀의 전망이며, 280켈빈도 일반적인 실내 온도보다 낮다.

강민구 서울대 교수팀의 연구 결과는 2026년 10월 15일 국제학술지 ‘네이처 피직스’에 게재됐고, 서울대는 10월 21일 성과를 발표했다.