과학자들은 2D 재료에 숨겨진 양자 트릭을 발견했습니다.

연구자들은 새로운 테라헤르츠(THz) 분광학 방법을 사용하여 전 세계 실험실에서 일반적으로 사용되는 2D 재료의 얇은 적층이 자연적으로 공동이라고 불리는 것을 생성할 수 있음을 발견했습니다. 이 작은 공간은 빛과 전자를 더 작은 영역으로 제한하여 상호 작용과 동작을 크게 변경합니다.

컬럼비아 대학 물리학과 조교수이자 논문 주저자인 제임스 맥아이버(James McIver)는 “우리는 양자 물질의 숨겨진 제어 계층을 발견했으며 물질의 이국적인 단계를 이해하고 궁극적으로 이를 미래 양자 기술에 활용하는 데 도움이 될 수 있는 방식으로 가벼운 물질 상호 작용을 형성하는 길을 열었습니다.”라고 말했습니다.

이 작업은 McIver가 막스 플랑크 물질의 구조 및 역학 연구소(MPSD)에서 연구 그룹을 이끌었던 함부르크에서 시작되었습니다. 이 연구소는 MPSD, Columbia, Flatiron Institute 및 Cornell University의 협력인 Max Planck-New York 무평형 양자 현상 센터의 일부입니다. 센터의 연구원들은 평형에서 멀어질 때 안정적인 물리적 시스템이 어떻게 반응하는지 연구합니다.

McIver 팀은 빛을 통해 이러한 질문을 탐구합니다. “매혹적인 거시적 특성을 지닌 2D 물질은 종종 블랙박스처럼 행동합니다. 물질에 빛을 비추면 문자 그대로 전자의 숨겨진 동작을 밝힐 수 있으며, 그렇지 않으면 보이지 않는 세부 사항을 드러낼 수 있습니다.”라고 MPSD의 박사 과정 학생이자 논문의 제1저자인 Gunda Kipp이 말했습니다. 그러나 한 가지 장애물은 2D 재료를 조사하는 데 필요한 빛의 파장이 사람의 머리카락보다 얇은 재료 자체보다 훨씬 크다는 것입니다.

이러한 규모 불일치를 극복하기 위해 연구원들은 THz 빛(많은 양자 효과가 발생하는 범위)을 약 1밀리미터에서 단 3마이크로미터로 압축하는 칩 크기의 분광기를 개발했습니다. 이 컴팩트한 디자인 덕분에 2D 재료 내에서 전자가 어떻게 움직이는지 직접 관찰할 수 있었습니다. 그들은 먼저 잘 알려진 탄소 형태인 그래핀을 사용하여 광학 전도성을 측정하는 접근 방식을 테스트했습니다.

그들이 발견한 것은 예상치 못한 것이었습니다: 뚜렷한 정재파였습니다.

“빛은 전자와 결합하여 하이브리드 가벼운 물질 준입자를 형성할 수 있습니다. 이러한 준입자는 파동으로 움직이며 특정 조건에서 뚜렷한 음을 생성하는 기타 줄의 정재파처럼 갇힐 수 있습니다”라고 MPSD 박사후 연구원이자 공동 저자인 Hope Bretscher는 설명했습니다.

기타에서 현의 고정된 끝 부분은 파도가 형성될 수 있는 위치를 정의합니다. 현을 손가락으로 누르면 웨이브가 짧아지고 음높이가 변경됩니다. 광학에서는 두 개의 거울이 그 사이에 빛을 가두어 과학자들이 공동이라고 부르는 내부에 정재파를 생성할 때 유사한 과정이 발생합니다. 재료가 해당 공동 내부에 배치되면 갇힌 빛이 재료와 반복적으로 상호 작용하여 전자 특성을 변경할 수 있습니다.

그러나 연구자들은 거울이 필요하지 않을 수도 있다는 것을 발견했습니다.

Kipp은 “우리는 재료 자체의 가장자리가 이미 거울 역할을 한다는 것을 발견했습니다.”라고 말했습니다. 그들은 THz 분광기를 사용하여 여기된 전자 흐름이 가장자리에서 반사되어 플라즈몬 폴라리톤이라고 불리는 일종의 하이브리드 광물질 준입자를 형성한다는 것을 관찰했습니다.

McIver 연구실에서는 여러 층으로 구성된 장치를 연구했는데, 각 층은 수십 나노미터로 분리된 공동 역할을 할 수 있습니다. 각 층에서 형성되는 플라즈몬은 차례로 상호 작용할 수 있으며 종종 강력하게 상호 작용합니다. Bretscher는 “두 개의 기타 줄을 연결하는 것과 같습니다. 일단 연결되면 음표가 변경됩니다.”라고 말했습니다. “우리의 경우에는 급격하게 변화합니다.”

다음 단계는 이러한 준입자의 주파수를 결정하는 요소와 빛과 물질이 얼마나 긴밀하게 결합되어 있는지를 이해하는 것이었습니다. “공저자이자 MPSD 박사후 연구원인 Marios Michael과 함께 우리는 실험 관찰과 일치하는 소수의 기하학적 샘플 매개변수만 필요한 분석 이론을 개발했습니다.”라고 Kipp이 말했습니다. “단 한 번의 버튼 클릭만으로 우리의 이론은 물질의 특성을 추출할 수 있으며 특정 특성을 얻기 위해 향후 샘플을 설계하고 조정하는 데 도움이 될 것입니다. 예를 들어, 캐리어 밀도, 온도 또는 자기장의 함수로 공명을 추적함으로써 다양한 양자 위상을 구동하는 메커니즘을 밝힐 수 있습니다.”

이 연구는 플라즈몬에 중점을 두었지만 새로운 칩 규모의 THz 분광기는 다양한 2D 재료에서 진동하는 다른 유형의 준입자를 감지할 수 있습니다. 팀은 이미 함부르크와 뉴욕에서 새로운 샘플을 테스트하고 있습니다.

Bretscher는 “이 전체 프로젝트는 다소 우연한 발견이었습니다. 우리는 이러한 공동 효과를 볼 것으로 기대하지 않았지만 앞으로 양자 물질의 현상을 조작하는 데 이를 사용할 수 있게 되어 기쁩니다”라고 Bretscher는 말했습니다. “그리고 이제 우리는 그것들을 볼 수 있는 기술을 갖게 되었고, 그것들이 다른 재료와 단계에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지 배우고 싶습니다.”