스핀 액체 (Spin Liquid)
쉽게 풀면
일반적인 자석은 온도가 충분히 낮아지면 스핀들이 마치 병정처럼 가지런히 한 방향으로 정렬됩니다. 그런데 스핀들이 삼각형 격자처럼 배열되어 서로 정렬하려 해도 어느 한 방향으로 모두 만족시킬 수 없는 상황(기하학적 좌절)에 놓이면, 절대영도 근처까지 냉각해도 정렬되지 못하고 마치 액체처럼 계속 요동치는 상태가 유지될 수 있습니다. 이 신비로운 상태는 강한 양자 얽힘을 품고 있어 위상 양자컴퓨팅과도 연결됩니다.
왜 중요한가
양자 스핀 액체는 마요라나 페르미온과 같은 특이한 준입자 여기(anyonic excitation)를 가질 수 있어, 위상학적으로 보호되는 큐비트를 구현하려는 위상 양자컴퓨팅 연구와 밀접하게 연결됩니다. 또한 스핀들이 어떤 규칙적 질서로도 설명되지 않는 강한 양자 얽힘 상태를 유지한다는 점에서, 기존의 자성 이론으로는 설명하기 어려운 새로운 물질 상태를 탐구하는 응집물질물리학의 중요한 연구 주제로 다뤄집니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
프러스트레이션 자성체 연구에서 새로운 양자 상태의 증거로 논의된다.
고체물리 실험 논문에서는 저온에서도 자기 정렬이 나타나지 않는다는 것을 비열, 자화율 등 열역학적 측정으로 뒷받침하며 스핀 액체 후보 물질을 보고하는 경우가 많습니다.
조금 더 깊게 보면
스핀 액체가 나타나는 근본 원인은 삼각형이나 카고메 격자처럼 이웃한 스핀들의 상호작용 방향이 서로 충돌하는 기하학적 좌절(geometric frustration)에 있습니다. 이 상태를 실험적으로 확인하는 대표적인 방법은 중성자 비탄성산란으로 스핀 여기 스펙트럼이 특정 에너지에 국한되지 않고 넓게 퍼진 연속체(continuum) 형태를 보이는지 확인하는 것이며, 이는 개별 스핀파(마그논)가 아니라 분수화된 준입자가 존재한다는 간접적 증거로 해석됩니다.
주의할 점
'액체'라는 이름은 물질이 실제로 흐른다는 뜻이 아니라 스핀의 방향이 고체처럼 얼어붙지 않고 유체처럼 요동친다는 비유적 표현이다.