이상한 양자 금속이 전기의 법칙을 다시 썼습니다

일본의 연구자들은 카고메 금속(kagome metal)이라 불리는 특별한 양자 금속 그룹에서 전기가 어떻게 작용하는지 설명했습니다. 이번 연구는 약한 자기장이 이러한 금속 내부의 작은 루프 전류를 어떻게 역전시키는지를 보여주는 최초의 연구입니다. 이러한 전환은 재료의 거시적 전기적 특성을 변경하고 어느 방향이 더 쉬운 전기 흐름을 갖는지 역전시킵니다. 이는 전류가 다른 방향보다 한 방향으로 더 쉽게 흐르는 다이오드 효과로 알려진 특성입니다.

특히 연구팀은 양자기하학 효과가 이러한 전환을 약 100배 증폭한다는 사실을 발견했다. 에 발표된 연구 국립과학원(National Academy of Sciences)의 간행물간단한 자석으로 제어되는 새로운 전자 장치로 이어질 수 있는 이론적 토대를 제공합니다.

과학자들은 2020년경부터 실험에서 이 이상한 자기 전환 동작을 관찰했지만 왜 그런 일이 발생했고 그 효과가 왜 그렇게 강한지 설명할 수 없었습니다. 본 연구는 두 가지를 모두 설명하는 최초의 이론적 틀을 제공합니다.

좌절된 전자가 정착될 수 없을 때

“kagome metal”이라는 이름은 “바구니 눈” 또는 “바구니 패턴”을 의미하는 일본어 “kagome”에서 유래되었으며, 이는 서로 맞물린 삼각형 디자인을 만드는 전통적인 대나무 직조 기술을 나타냅니다.

이러한 금속은 원자가 과학자들이 “기하학적 좌절”이라고 부르는 독특한 바구니 직조 패턴으로 배열되어 있기 때문에 특별합니다. 전자는 단순하고 조직화된 패턴으로 정착할 수 없으며 루프 전류를 포함하는 더 복잡한 양자 상태로 강제됩니다.

이러한 금속 내부의 루프 전류가 방향을 바꾸면 금속의 전기적 거동이 변경됩니다. 연구팀은 루프 전류와 파동형 전자 패턴(전하 밀도 파동)이 함께 작용하여 전자 구조의 근본적인 대칭성을 깨뜨린다는 것을 보여주었습니다. 그들은 또한 물질의 가장 작은 규모에서만 발생하는 독특한 행동인 양자 기하학적 효과가 스위칭 효과를 크게 향상시킨다는 것을 발견했습니다.

나고야대학교 과학대학원 교수이자 수석 저자인 콘타니 히로시(Hiroshi Kontani)는 “자기 전환을 볼 때마다 뭔가 특별한 일이 일어나고 있다는 것을 알았지만 그 이유를 설명할 수 없었다”고 회상했다.

“Kagome 금속에는 일반 금속보다 양자 효과를 훨씬 더 강하게 만드는 증폭기가 내장되어 있습니다. 결정 구조와 전자적 거동의 조합으로 인해 특정 물리학의 핵심 규칙을 동시에 깨뜨릴 수 있습니다. 이는 자발적인 대칭 파괴로 알려진 현상입니다. 이는 본질적으로 극히 드물며 그 효과가 그토록 강력한 이유를 설명합니다.”

연구 방법에는 금속을 약 -190°C의 극도로 낮은 온도까지 냉각시키는 것이 포함되었습니다. 이 온도에서 카고메 금속은 전자가 순환 전류를 형성하고 물질 전체에 파도 같은 패턴을 생성하는 양자 상태를 자연적으로 발생시킵니다. 과학자들이 약한 자기장을 적용하면 전류가 회전하는 방향이 바뀌고 결과적으로 금속에서 선호되는 전류 흐름 방향이 변경됩니다.

새로운 재료와 새로운 이론의 만남

카고메 금속은 2020년경에야 발견되었기 때문에 양자 물리학의 이러한 획기적인 발전은 최근까지 불가능했습니다. 과학자들은 실험에서 신비한 전기 전환 효과를 신속하게 관찰했지만 그것이 어떻게 작동하는지 설명할 수 없었습니다.

관련된 양자 상호 작용은 매우 복잡하며 루프 전류, 양자 기하학 및 자기장이 어떻게 함께 작동하는지에 대한 고급 이해가 필요합니다. 이러한 지식은 최근 몇 년 동안만 발전했습니다. 이러한 효과는 불순물, 변형 및 외부 조건에도 매우 민감하여 연구하기 어렵습니다.

“이 발견은 세 가지가 적절한 시기에 결합했기 때문에 일어났습니다. 우리는 마침내 새로운 재료, 이를 이해하기 위한 고급 이론, 그리고 이를 제대로 연구하기 위한 첨단 장비를 갖게 되었습니다. 이 중 어느 것도 최근까지 함께 존재하지 않았기 때문에 지금까지 누구도 이 퍼즐을 풀 수 없었습니다.”라고 Kontani 교수는 덧붙였습니다.

“이러한 금속의 전기적 특성에 대한 자기 제어는 잠재적으로 새로운 유형의 자기 메모리 장치 또는 초민감 센서를 가능하게 할 수 있습니다. 우리 연구는 차세대 양자 제어 기술 개발을 시작하는 데 필요한 기본적인 이해를 제공합니다”라고 그는 말했습니다.