물리학의 법칙을 거스르는 “정말 기괴한” 양자 발견

국제 과학자 팀과 협력하여 Li는 최근에 설명된 발견 중 하나를 달성했습니다. 실제 검토 편지.

“나는 훌륭한 응용 프로그램이 있다고 주장하고 싶지만 내 작업은 계속해서 그 꿈을 더 멀리 밀어내고 있습니다”라고 미시간 대학의 물리학 교수인 Li는 말했습니다. “그러나 우리가 발견한 것은 여전히 ​​정말 기괴하고 흥미진진합니다.”

양자 진동: 전자가 스프링처럼 작용할 때

미국 국립과학재단과 미국 에너지부의 지원을 받은 이 연구는 양자 진동이라는 수수께끼 같은 효과에 초점을 맞췄습니다. 금속에서 이러한 진동은 전자가 자기장에 반응하여 진동하는 작은 스프링처럼 거동할 때 발생합니다. 자기장의 강도를 변경함으로써 과학자들은 이러한 “전자 스프링”이 얼마나 빨리 움직이는지를 변경할 수 있습니다.

그러나 최근 몇 년 동안 연구자들은 전기나 열을 전도해서는 안 되는 물질인 절연체에서도 동일한 양자 진동을 발견했습니다. 이러한 사실이 밝혀지면서 과학자들은 그 효과가 물질의 표면에서만 발생하는지 아니면 내부(벌크라고 알려짐) 깊은 곳에서 발생하는지에 대해 논쟁을 벌이게 되었습니다.

자료 안에서 답 찾기

진동이 표면에서 발생한다면 이는 잠재적인 기술에 특히 흥미로울 것입니다. 내부 절연성을 유지하면서 표면에서는 전기를 전도하는 토폴로지 절연체라는 재료는 이미 새로운 종류의 전자, 광학 및 양자 장치를 위해 연구되고 있습니다.

미스터리를 탐구하기 위해 Li와 그의 동료들은 세계에서 가장 강력한 자석이 있는 국립 자기장 연구소(National Magnetic Field Laboratory)를 찾았습니다. 그들의 실험을 통해 진동은 단순한 표면 효과가 아니라는 사실이 밝혀졌습니다. 대신, 그들은 대부분의 재료 자체에서 나왔습니다.

“그 문제로 무엇을 해야 할지 알았으면 좋겠지만 현 단계에서는 전혀 모릅니다”라고 Li는 인정했습니다. “지금 우리가 가지고 있는 것은 놀라운 현상에 대한 실험적 증거입니다. 우리는 그것을 기록했고, 바라건대 어느 시점에서는 그것을 어떻게 사용하는지 깨닫게 될 것입니다.”

글로벌 협업과 확실한 결과

이 연구에는 미시간 대학의 Kuan-Wen Chen 연구원과 대학원생 Yuan Zhu, Guoxin Zheng, Dechen Zhang, Aaron Chan 및 Kaila Jenkins를 포함하여 미국과 일본의 6개 기관에서 온 12명 이상의 과학자가 참여했습니다.

“수년 동안 과학자들은 이 이국적인 절연체의 캐리어 기원에 관한 근본적인 질문에 대한 답을 추구해 왔습니다. 그것은 벌크 또는 표면, 내부 또는 외부에서 비롯됩니까?” 첸이 말했다. “우리는 그것이 대량이고 본질적이라는 명확한 증거를 제공하게 되어 기쁘게 생각합니다.”

물리학의 “새로운 이중성”

Li는 이 발견을 그가 “새로운 이중성”이라고 부르는 것의 일부로 설명합니다. 물리학의 원래 또는 “오래된” 이중성은 과학자들이 빛과 물질이 파동과 입자로 작용할 수 있다는 것을 깨달은 100여 년 전에 나타났습니다. 그 발견은 물리학을 변화시켰고 태양전지와 전자현미경과 같은 기술로 이어졌습니다.

새로운 이중성은 도체와 절연체 모두로 작용할 수 있는 물질과 관련이 있다고 Li는 말합니다. 그의 팀은 35테슬라에 도달할 정도로 강력한 자기장 내부에서 이테르븀 붕화물(YbB12)이라는 화합물을 사용하여 이 아이디어를 탐구했습니다. 이는 병원 MRI 기계 내부 자기장보다 약 35배 더 강한 것입니다.

“효과적으로 우리는 전자 제품에 사용할 수 있는 좋은 전도성을 가진 표면을 상상했던 순진한 그림이 완전히 잘못되었음을 보여주고 있습니다.”라고 Li는 설명했습니다. “절연체임에도 불구하고 금속처럼 거동하는 것은 전체 화합물입니다.”

“크레이지 메탈(Crazy Metal)”의 미스터리를 풀다

이러한 “금속과 같은” 행동은 극단적인 자기 조건에서만 나타나지만 이번 발견은 재료가 양자 수준에서 어떻게 행동하는지에 대한 새로운 질문을 제기합니다.

Zhu는 “진동이 대량이고 본질적이라는 것을 확인하는 것은 흥미로운 일입니다.”라고 말했습니다. “우리는 어떤 종류의 중성 입자가 관찰을 담당하는지 아직 알지 못합니다. 우리의 발견이 추가 실험과 이론적 작업에 동기를 부여하기를 바랍니다.”

이 프로젝트는 복합 적응 물질 연구소, 고든 앤 베티 무어 재단, 일본 과학 진흥회, 일본 과학 기술 진흥원으로부터 추가 지원을 받았습니다.