———–원자가 좌절되면 이상한 새로운 양자 상태가 나타납니다.

에 발표된 연구에서 자연소재Wilson 팀은 비전통적인 자기 상태를 생성하기 위해 재료의 장거리 질서 좌절로 알려진 현상을 사용하는 새로운 방법을 설명합니다. 이러한 상태는 결국 양자 기술과 관련이 있을 수 있습니다. Wilson은 이 작업이 즉각적인 적용보다는 기초 과학에 초점을 맞추고 있음을 강조했습니다. “이것은 기본적인 질문을 해결하기 위한 기초 과학입니다. 미래 장치에 어떤 물리학이 가능할지 조사하기 위한 것입니다.”

“삼각형 격자 반강자성체의 인터리브 결합 좌절”이라는 제목의 그들의 연구는 이러한 시스템에서 다양한 형태의 좌절이 어떻게 발생할 수 있는지 조사합니다. 중요한 유형 중 하나는 기하학적 좌절입니다. 이는 재료의 자기 모멘트가 하나의 안정적인 패턴으로 정착될 수 없고 대신 변동하는 구성으로 유지될 때 발생합니다.

작은 원자 자석과 좌절된 기하학

윌슨은 간단한 비유를 사용하여 자기를 설명했습니다. “자성은 결정 격자의 원자 위치에 있는 작은 막대 자석에서 파생되는 것으로 생각할 수 있습니다.”라고 그는 말했습니다. 이 작은 자석을 자기 쌍극자 모멘트라고 합니다. 물질의 구조에 따라 그들은 서로 상호 작용하고 에너지를 최소화하는 방식, 즉 바닥 상태에 도달하는 방식으로 배열됩니다. 바닥 상태는 시스템의 가능한 가장 낮은 에너지 구성을 나타내며 절대 영도에서 모든 시스템은 이 상태로 존재합니다.

Wilson은 계속해서 이렇게 말했습니다. “만약 이러한 자기 모멘트가 서로 반평행을 가리키는 방식으로 상호작용한다면 우리는 이를 반강자성이라고 부릅니다.” 정사각형 배열의 원자에서는 이러한 상호 작용이 쉽게 작동합니다. 각 자기 모멘트는 이웃한 자기 모멘트와 반대 방향을 가리킬 수 있어 안정적인 구성을 생성합니다.

그러나 원자가 삼각형 배열을 형성하면 상황이 달라집니다. 그 기하학에서는 모든 자기 모멘트가 동시에 모든 이웃의 반대 방향을 가리키는 것이 불가능해집니다. Wilson이 설명했듯이 순간은 서로 경쟁하기 시작합니다. 격자의 기하학적 구조로 인해 가장 낮은 에너지 배열을 달성할 수 없기 때문에 그들은 효과적으로 좌절감을 느낍니다. 시스템은 평형에 도달하려고 시도하지만 그것이 차지하는 구조로 인해 완전히 평형에 도달할 수 없습니다.

채권 좌절과 전자 공유

유사한 유형의 좌절이 전자의 다른 측면에서도 발생할 수 있습니다. 자성을 포함하는 대신 전자 전하에서 발생할 수 있습니다. 근처에 있는 두 이온이 결합을 통해 전자를 공유하려고 하면 과학자들이 원자 이량체라고 부르는 것을 형성할 수 있습니다.

특정 격자 구조에서 자기 상호 작용이 좌절될 수 있는 것처럼 이러한 이합체도 삼각형 격자 또는 벌집 네트워크와 같은 기하학적 구조에서 제한에 직면할 수 있습니다. 그 결과는 그 자체로 좌절되는 유대 네트워크가 될 수 있습니다. 이러한 네트워크는 종종 변형에 매우 민감하며 변형을 적용하면 결합 패턴 내에서 좌절감을 부분적으로 완화할 수 있습니다.

Wilson의 연구는 두 가지 유형의 좌절이 동시에 존재하는 극히 드문 종류의 재료에 중점을 둡니다. 자기 좌절과 유대 좌절은 동일한 구조에서 함께 나타납니다.

좌절된 두 시스템 결합

윌슨은 이번 발견이 다른 시스템에 영향을 주어 좌절된 시스템을 제어할 수 있는 경로를 열어주기 때문에 “흥미롭다”고 설명했습니다. 지난 6~7년 동안 과학자들은 주기율표의 맨 아래 줄에 있는 원소 그룹인 란탄족 원소의 삼각형 네트워크로 만들어진 물질을 사용하여 좌절된 자기 상태를 생성하는 방법을 알아냈습니다.

“원칙적으로 적절하게 선택된 란탄족 모멘트의 삼각형 격자 네트워크는 본질적으로 특별한 종류의 양자 무질서 상태가 발생할 수 있습니다.”라고 Wilson은 말했습니다. 팀의 목표는 그 아이디어를 기반으로 하는 것이었습니다. “이 프로젝트에서 우리가 시도한 것 중 하나는 추가적인 결합 좌절도를 갖는 결정 격자에 이국적인 상태를 삽입하여 기능화하는 것이었습니다.”

연구자들은 양자 무질서 자기가 여러 형태를 취할 수 있다는 것을 알고 있습니다. 이러한 상태 중 일부는 양자 정보 과학의 핵심 개념인 스핀 간의 장거리 얽힘을 지원할 수 있습니다. Wilson은 “일부 상태는 양자 정보 영역에서 흥미로운 스핀의 장거리 얽힘을 호스팅할 수 있습니다. 좌절된 결합 네트워크에 변형을 적용하여 이러한 상태를 제어하는 ​​것은 흥미로울 것입니다.”라고 설명했습니다.

양자 상태 제어를 향하여

두 개의 좌절된 시스템이 함께 존재하고 둘 다 변형이나 자기장과 같은 교란에 매우 민감한 경우 중요한 질문이 나타납니다. 과학자들은 두 시스템이 서로 영향을 미칠 수 있는지 알고 싶어합니다. 특정 조건에서 한 레이어의 순서가 지정되면 잠재적으로 다른 레이어에도 영향을 미칠 수 있습니다.

Wilson은 “이것은 다른 방법으로는 응답하지 않을 기능이나 다른 것에 대한 응답을 사물에 전달하는 방법입니다.”라고 설명했습니다. “따라서 원칙적으로 큰 강성 반응을 설계할 수 있습니다. 약간의 변형을 적용하여 자기 질서를 유도하거나 약간의 자기장을 적용하여 구조에 변화를 유도할 수 있습니다.

“원칙적으로 장거리 얽힘을 유발하는 양자 무질서한 바닥 상태를 찾을 수 있다면 문제는 예를 들어 결합 좌절과 같은 다른 층과의 결합을 통해 해당 얽힘에 접근할 수 있는지 여부가 됩니다.”

Wilson은 또한 이러한 접근 방식이 여러 유형의 질서가 함께 나타날 수 있는지 여부에도 관심이 있습니다. “기본적으로 이 두 가지 좌절된 격자의 근접성으로 인해 핵이 생성되는 다양한 유형의 질서가 있을 수 있습니다.”라고 그는 말했습니다. “그것이 큰 그림 아이디어입니다.”