전자의 이국적인 상호 작용
국제 연구팀, 새로운 양자 상태 발견
날짜:
2022년 12월 1일
원천:
헬름홀츠-젠트룸 드레스덴-로센도르프
요약:
아무리 추워도 얼지 않는 물 -- 한 연구 그룹이 이런 식으로 설명할 수 있는 양자 상태를 발견했습니다. 전문가들은 특수 물질을 절대 영도에 가까운 온도로 냉각시키는 데 성공했습니다. 그들은 원자의 중심 속성인 배열이 평소처럼 '얼지' 않고 '액체' 상태로 남아 있음을 발견했습니다. 새로운 양자 물질은 새롭고 매우 민감한 양자 센서를 개발하기 위한 모델 시스템 역할을 할 수 있습니다.
아무리 추워도 얼지 않는 물 - HZDR(Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf)이 포함된 연구 그룹은 이런 식으로 설명할 수 있는 양자 상태를 발견했습니다. 일본 도쿄대 고체물리연구소, 미국 존스홉킨스대, 독일 드레스덴 막스플랑크 복합시스템물리연구소(MPI-PKS) 전문가들이 절대 영도에 가까운 물질. 그들은 원자의 중심 속성인 배열이 평소처럼 "동결"되지 않고 "액체" 상태로 남아 있음을 발견했습니다. 새로운 양자 물질은 새롭고 매우 민감한 양자 센서를 개발하기 위한 모델 시스템 역할을 할 수 있습니다. 연구팀은 Nature Physics 저널에 연구 결과를 발표했습니다 .
언뜻 보기에 양자 물질은 일반 물질과 다르지 않아 보이지만 전자는 자신의 역할을 수행합니다. 내부에서 전자는 서로 간에 그리고 결정 격자의 원자와 함께 비정상적인 강도로 상호 작용합니다. 이 친밀한 상호 작용은 미시적 규모뿐만 아니라 거시적 규모에서도 작용하는 강력한 양자 효과를 초래합니다. 이러한 효과 덕분에 양자 물질은 놀라운 특성을 나타냅니다. 예를 들어, 저온에서 완전히 무손실로 전기를 전도할 수 있습니다. 종종 온도, 압력 또는 전압의 약간의 변화만으로도 재료의 거동을 크게 바꿀 수 있습니다.
원칙적으로 자석도 양자 물질로 간주될 수 있습니다. 결국, 자성은 물질에 있는 전자의 본질적인 스핀에 기반합니다. HZDR의 Dresden High Field Magnetic Laboratory(HLD)의 Jochen Wosnitza 교수는 "어떤 면에서 이러한 스핀은 액체처럼 행동할 수 있습니다."라고 설명합니다. "온도가 떨어지면 물이 얼음으로 얼어붙는 것처럼 이러한 무질서한 회전이 얼어붙을 수 있습니다." 예를 들어, 소위 강자성체(ferromagnets)라고 불리는 특정 종류의 자석은 "어는 지점" 또는 더 정확하게는 정렬 지점 위에서 비자성입니다. 아래로 떨어질 때만 영구 자석이 될 수 있습니다.
고순도 소재
국제 팀은 초저온에서도 스핀과 관련된 원자 정렬이 정렬되지 않은 양자 상태를 만들려고 했습니다. 이는 극한의 추위에서도 응고되지 않는 액체와 유사합니다. 이 상태를 달성하기 위해 연구팀은 프라세오디뮴, 지르코늄 및 산소 원소의 화합물인 특수 물질을 사용했습니다. 그들은 이 물질에서 결정 격자의 특성으로 인해 전자 스핀이 특별한 방식으로 원자 주위의 궤도와 상호 작용할 수 있다고 가정했습니다.
"그러나 전제 조건은 극도의 순도와 품질의 결정체를 갖는 것이었습니다."라고 도쿄 대학의 Satoru Nakatsuji 교수는 설명합니다. 여러 번의 시도가 필요했지만 결국 팀은 실험에 사용할 만큼 충분히 순수한 결정을 생산할 수 있었습니다. 일종의 슈퍼 보온병인 저온 유지 장치에서 전문가들은 샘플을 20밀리켈빈까지 서서히 냉각시켰습니다. 절대 영도. 이 냉각 과정과 자기장 내부에서 샘플이 어떻게 반응하는지 확인하기 위해 길이가 얼마나 변했는지 측정했습니다. 또 다른 실험에서 그룹은 크리스탈을 통해 직접 전송되는 초음파에 크리스탈이 어떻게 반응하는지 기록했습니다.
친밀한 상호 작용
결과는 다음과 같습니다. "그러나 우리가 관찰한 바와 같이 아무 일도 일어나지 않았습니다! 길이나 초음파에 대한 반응에 급격한 변화가 없었습니다." 결론: 스핀과 오비탈의 현저한 상호 작용은 질서를 방해했고, 이것이 원자가 액체 양자 상태에 남아 있는 이유입니다. 이러한 양자 상태가 처음으로 관찰되었습니다. 자기장에 대한 추가 조사를 통해 이러한 가정이 확인되었습니다.
이 기본적인 연구 결과는 또한 언젠가는 실용적인 의미를 가질 수 있습니다. "어느 시점에서 우리는 매우 민감한 양자 센서를 개발하기 위해 새로운 양자 상태를 사용할 수 있을 것입니다."라고 Jochen Wosnitza는 추측합니다. "그러나 이것을 하기 위해 우리는 여전히 이 상태에서 체계적으로 여기를 생성하는 방법을 알아내야 합니다." 양자 감지는 미래 유망 기술로 간주됩니다. 양자 특성으로 인해 외부 자극에 매우 민감하기 때문에 양자 센서는 기존 센서보다 훨씬 더 정밀하게 자기장이나 온도를 등록할 수 있습니다.
출처 : https://www.sciencedaily.com/