양자재료: 최초로 측정된 전자스핀

2023년 6월 9일

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볼로냐 대학교

국제 연구팀이 새로운 종류의 양자 물질인 '카고메 물질' 내에서 물질 내 전자 스핀, 즉 전자가 살고 움직이는 공간의 곡률을 측정하는 데 처음으로 성공했습니다.

Nature Physics에 발표된 결과는 미래에 양자 물질을 연구하는 방식에 혁명을 일으킬 수 있으며, 재생 가능 에너지에서 생물 의학, 전자 공학, 전자 공학에 이르기까지 다양한 기술 분야에 응용할 수 있는 양자 기술의 새로운 발전의 문을 열 수 있습니다. 양자 컴퓨터.

성공은 물리학 및 천문학과 "Augusto Righi"의 교수인 Domenico Di Sante가 Marie Curie BITMAP 연구 프로젝트의 일환으로 볼로냐 대학에 참여한 과학자들의 국제 협력을 통해 달성되었습니다. 그는 CNR-IOM 트리에스테, 베니스의 Ca' Foscari 대학, 밀라노 대학, 뷔르츠부르크 대학(독일), 세인트 앤드루스 대학(영국), 보스턴 대학 및 산타바바라 대학(미국)의 동료들과 합류했습니다.

입자 가속기인 싱크로트론에서 생성된 빛을 사용하는 첨단 실험 기술과 물질의 거동을 모델링하는 현대 기술 덕분에 학자들은 위상수지 개념과 관련된 전자 스핀을 처음으로 측정할 수 있었습니다.

Domenico Di Sante는 "축구공과 도넛 같은 두 개의 물체를 취하면 특정한 모양이 서로 다른 위상학적 특성을 결정한다는 것을 알 수 있습니다. 예를 들어 도넛에는 구멍이 있고 축구공에는 구멍이 없기 때문입니다."라고 Domenico Di Sante는 설명합니다. "마찬가지로, 물질 내 전자의 행동은 발견된 물질의 회전을 결정하는 특정 양자 특성의 영향을 받습니다. 이는 우주에서 빛의 궤적이 별, 블랙홀, 어둠의 존재에 의해 수정되는 방식과 유사합니다. 시간과 공간을 구부리는 물질, 암흑에너지."

전자의 이러한 특성은 수년 동안 알려져 있었지만 지금까지 누구도 이 "위상학적 스핀"을 직접 측정할 수 없었습니다. 이를 달성하기 위해 연구원들은 "원형 이색성"으로 알려진 특정 효과를 이용했습니다. 이는 편광에 따라 빛을 다르게 흡수하는 물질의 능력을 활용하는 싱크로트론 소스에만 사용할 수 있는 특별한 실험 기술입니다.

학자들은 특히 전통적인 일본 바구니(실제로는 "카고메"라고 함)를 구성하는 대나무 실을 짜는 것과 유사하여 이름이 붙은 양자 재료 종류인 "카고메 재료"에 중점을 두었습니다. 이러한 물질은 양자 물리학에 혁명을 일으키고 있으며, 얻은 결과는 특수 자기, 위상 및 초전도 특성에 대해 더 많이 배우는 데 도움이 될 수 있습니다.

"이러한 중요한 결과는 실험적 실천과 이론적 분석 간의 강력한 시너지 효과 덕분에 가능했습니다."라고 Di Sante는 덧붙입니다. "팀의 이론 연구자들은 강력한 슈퍼컴퓨터를 사용해야만 가능한 정교한 양자 시뮬레이션을 사용했으며 이러한 방식으로 실험 동료들을 원형 이색성 효과를 측정할 수 있는 물질의 특정 영역으로 안내했습니다."

추가 정보: Domenico Di Sante 외, 이중층 카고메 금속의 플랫 밴드 분리 및 견고한 스핀 베리 곡률, 자연 물리학(2023). DOI: 10.1038/s41567-023-02053-z