막스플랑크 한국·포스텍연구소(이하 MPK) 지성대 박사, 박재훈 교수 연구팀이 중앙대 최광용 교수 연구진과의 공동 연구를 통해 세계 최초로 '마요라나 페르미온' 입자를 관측했다.

이 연구결과는 18일(런던 시간) 물리학 분야 최고 권위의 학술지인 네이쳐 피직스 온라인 판에 게재됐다.

연구팀에 따르면 이탈리아 천재 물리학자 에토레 마요라나(Ettore Majorana)가 양자 이론을 토대로 존재를 예측했던 마요라나 페르미온은 물질과 반물질의 경계에 있는 스스로 자신의 반입자를 겸하는 미지의 입자다.

지난 반세기 동안 마요라나 페르미온을 전자, 양자, 중성자 등과 같은 기본 입자의 하나로 존재를 발견하려는 입자물리학계의 노력이 이어졌다.

특히 이 입자가 낮은 차원의 응집물질계에서 준입자 형태로 존재한다면 위상 양자 컴퓨터 기본 단위로 응용이 가능하다는 점 때문에 최근 10여년간 학계의 관심이 집중되고 있다.

1964년 피터 힉스에 의해 제안된 힉스 입자(Higgs Particle)의 경우 50년만에 규명됐다.

마요라나 페르미온은 1937년 에토레 마요라나에 의해 존재를 드러내기 시작, 1938년 그가 갑자기 실종된 후 80여년이 지나도록 과학자들이 존재를 증명하지 못한 미지의 입자로 남아있었다.

하지만 이번 연구를 통해 세계 최초로 관측하고 규명하는 성과를 올렸다. 

이번 연구를 통해 양자스핀액체 상태에서 스핀이 쪼개질 수 있다는 특이한 현상을 실험으로 확인했다.

또 쪼개진 입자가 마요라나 페르미온에 해당한다는 것을 명확히 검증했다.

이와 함께 입자가 갖는 열역학적 동역학적 성질을 구체적으로 규명했다.

이를 위상 양자 컴퓨터 기본 단위로 응용하면 기존 양자 컴퓨터 모델의 가장 큰 난제였던 온도와 노이즈 등의 외부 자극에 의한 시스템 오류를 해결할 수 있다.   

MPK 책임연구원으로 이번 연구의 공동교신 저자인 지성대 박사는 "이번 연구는 명확히 마요라나 입자를 입증했을 뿐 아니라 구체적인 물리적 성질까지 규명했다는데 의의가 있다"고 밝혔다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단, 경상북도, 포항시, 포스텍 등의 지원을 받아 수행됐다.

포항=성민규 기자 smg511@hanmail.net