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결정의 양자 상태는 절대 영도 바로 위까지 무질서하게 유지돼

새로운 유형의 스핀 궤도 액체 상태Spin–orbital liquid state 감지

결정의 양자 상태는 절대 영도 바로 위까지 무질서하게 유지된다.

끝까지 무질서:
물리학자들이 절대 영도 바로 위의 온도에서 새로운 형태의 스핀 액체인 새로운 유형의 양자 상태를 감지했다. 이 경우 결정질 물질의 전자스핀은 무질서한 상태를 유지하므로 극한의 추위에도 불구하고 액체 상태를 유지한다. 이러한 스핀 궤도 액체는 이전에 관찰된 적이 없다고 Nature Physics에 보고되었다. 

▲ 이러한 저온 유지 장치에서 물리학자들은 물질을 20밀리켈빈까지 냉각시키고 새로운 유형의 양자 상태, 즉 새로운 형태의 스핀 액체를 관찰했다. © Jürgen Jeibmann/ HZDR

많은 고체에서 전자와 결정 격자의 원자핵 사이의 상호 작용은 특이한 효과를 생성한다. 이러한 토폴로지 재료를 사용하면 온도, 압력 또는 전압의 작은 변화만으로도 재료의 거동을 크게 바꿀 수 있다. 이러한 고체 중 일부는 초전도체가 되고 다른 일부는 이국적인 양자 상태를 채택한다. 즉, 초고체가 되어 스핀 아이스 또는 스핀 액체를 형성한다.

거의 절대 영도에서도 무질서

도쿄 대학의 Nan Tang과 그의 동료들은 이제 스핀 액체의 새로운 변형을 만들고 관찰했다. 결정 격자의 전자가 극도로 낮은 온도에서도 적절하게 정렬되지 않는 경우 재료는 스핀 액체로 간주된다. 말하자면 절대 얼지 않는다. 이러한 스핀의 정류는 특정 추위로부터 대부분의 강자성 물질에서 발생해 이러한 물질을 자성으로 만드는 반면, 스핀 액체에서는 발생하지 않는다.

물리학자들은 이미 일부 특수한 2차원 물질에서 그러한 양자 스핀 액체의 형태를 관찰했다. 그러나 Tang의 팀은 스핀이 원자 오비탈과의 강한 상호 작용 때문에 "액체"로 남아 있는 또 다른 새로운 스핀 상태를 만들고 싶었다. 그러나 이것은 이러한 오비탈이 가장 낮은 온도까지 무질서하게 남아 있는 물질을 찾는 것을 전제로 한다.

"고체 물리학의 오랜 역사는 스핀 궤도 액체는 말할 것도 없고 궤도 질서를 저온으로 억제하는 것이 극히 어렵다는 것을 보여준다"고 연구원들은 설명했다.

테스트 후보로 희토류 화합물

그들이 이제 처음으로 실험적으로 생성하고 검증한 것은 바로 이 이국적인 상태다. 이를 위해 Tang과 그의 팀은 지르코늄, 산소 및 희토류 금속 프라세오디뮴으로 만들어진 특히 순수한 결정을 사용했다. 그들의 이론적인 계산에 따르면, 그러한 희토류 화합물의 결정 격자는 전자 스핀이 특별한 방식으로 그들의 오비탈과 상호 작용하는 것과 같아야 한다.

실험을 위해 팀은 외부 자기장에서 이 결정의 작은 샘플을 20밀리켈빈으로 천천히 냉각했다. 이 끝점에서 온도는 절대 영도보다 1/50도 높았다. 물질의 상태와 양자 상태의 가능한 변화를 기록하기 위해 물리학자들은 결정 길이의 변화를 측정하고 초음파에 대한 반응을 결정했다.

점프 없음, 질서 없음

결과:
"스핀이 정렬되었다면 길이의 갑작스러운 변화와 같은 결정의 거동에 급격한 변화가 발생했을 것이다. 그러나 강력한 냉각에도 불구하고 이러한 반응은 일어나지 않았다. "우리는 보았다: 아무 일도 일어나지 않는다!“

상태 변화의 두 번째 지표인 물질 내 초음파의 전파에도 동일하게 적용됐다. 크리스탈은 차가워질수록 파동을 점점 더 느리게 전도한다. "이 연화는 갑작스러운 변화 없이 최소 400밀리켈빈까지 계속된다"고 Tang과 그의 동료들은 보고했다. 이것은 원자가 무질서한-액체-양자 상태에 남아 있음을 시사한다.

기초연구부터 실용화까지

따라서 물리학자들은 새로운 양자 상태, 즉 스핀의 무질서한 상태가 동일하게 무질서한 원자 오비탈과 집중적인 상호 작용을 통해 유지되는 스핀 액체를 시연했다. 이 증명은 여전히 ​​순수한 기본 연구이며 고체의 복잡한 상호 작용을 이해하는 데 도움이 된다. 미래에는 그러한 스핀 궤도 액체상태가 실용화될 수도 있다.

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf의 공동 저자인 Jochen Wosnitza는 "새로운 양자 상태가 어느 시점에서 매우 민감한 양자 센서를 개발하는 데 사용될 수 있을 것"이라고 예상했다. 그는 "그러나 이렇게 하려면 이 상태에서 특정 흥분이 어떻게 생성될 수 있는지 알아내야 한다"고 덧붙였다.
(Nature Physics, 2022; doi: 10.1038/s41567-022-01816-4)
출처: Nature Physics, Helmholtz Center Dresden-Rossendorf

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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