MIT 물리학자들이 레이저로 양자 물질을 찌르고, 전자가 두 가지 매우 다른 방식으로 스스로 재조직할 수 있다는 것을 발견했습니다. 하나는 물이 증발하는 것처럼 매끄럽고, 다른 하나는 얼음이 얼 때처럼 덩어리지는 방식입니다. Nature Physics에 게재된 이 연구는 동일한 물질 내에서 여러 전자 위상이 어떻게 공존할 수 있는지에 대한 빛을 던져 주며, 언젠가 더 나은 양자 장치를 만들고, 아마도 실리콘을 대체하는 데 도움이 될 수 있습니다.

"실리콘을 대체하는 초석은 여러 공존 위상을 가진 양자 물질에 있다고 사람들은 믿습니다,"라고 공동 저자 Alfred Zong (MIT 박사 '20, 현재 스탠포드 대학 조교수)는 말합니다. "우리의 실험은 이러한 여러 위상을 연구하는 매우 깔끔한 방법을 제공합니다."

MIT의 Donner 물리학 교수인 Nuh Gedik이 이끄는 연구진은 에르븀 트리텔루라이드(erbium tritelluride)를 조사했습니다. 이 희토류 물질은 상당한 전자적 태도를 가지고 있습니다. 일반적인 조건에서 전자는 고르게 퍼져 있지만, 냉각하면 전하 밀도 파(CDW)라고 불리는 파동 모양의 배열을 형성하기 시작합니다. 더 냉각하면 첫 번째 파에 수직인 두 번째 파가 나타나 원자 규모의 체커보드를 만들어 체스 그랜드마스터도 부러워할 것입니다.

팀은 두 위상을 분리하고 각각이 어떻게 형성되는지 관찰했습니다. 첫 번째 '지배적인' 위상은 물이 증기로 변하는 것처럼 물질 전체에 걸쳐 점진적으로 나타납니다. 그러나 두 번째 '하위 지배적인' 위상은 고립된 영역에서 시작하여 바깥쪽으로 팽창합니다. 마치 음료에 얼음 결정이 형성되는 것과 같습니다. 이 차이가 핵심입니다. 첫 번째는 교과서적인 2차 전이이고, 두 번째는 1차 전이이며, 이것은 놀라운 일입니다.

"이 두 번째 위상의 출현을 담당하는 메커니즘은 오랫동안 논쟁의 대상이었으며, 우리의 접근 방식은 양자 물질의 상전이 뒤에 숨은 물리학을 밝혀내는 강력한 새로운 방법을 제공합니다,"라고 Gedik은 말합니다.

실험은 고전적인 '흔들고 듣기' 방식이었습니다. 팀은 에르븀 트리텔루라이드의 원자적으로 얇은 샘플을 약 -230도까지 냉각한 다음 두 개의 레이저 펄스로 쪼았습니다. 첫 번째 펄스는 시스템을 '흔들어' 전자 체커보드를 분해했고, 두 번째 펄스는 전자가 시간이 지남에 따라 어떻게 회복되는지 스냅샷을 찍었습니다. 지배적인 파동은 아무리 세게 쳐도 매끄럽게 되돌아왔지만, 하위 지배적인 파동은 과냉각된 물에서 얼음 결정이 형성되는 것처럼 흩어진 씨앗에서 자랐습니다.

이 행동은 예상되지 않았으며, 마침내 두 번째 CDW 위상 뒤에 있는 오랫동안 논쟁된 메커니즘을 식별합니다. 그리고 에르븀 트리텔루라이드가 그 자체로 멋지긴 하지만, 진짜 보상은 고온 초전도체와 같은 더 복잡한 물질을 이해하는 것입니다. 그곳에서는 자기, 초전도, CDW와 같은 여러 위상이 모두 공존하고 상호 작용합니다.

"고온 초전도체와 같은 훨씬 더 복잡한 시스템에서는 자기, 초전도, 전하 밀도 파와 같은 여러 위상이 모두 함께 존재하는 것을 볼 수 있습니다,"라고 Gedik은 말합니다. "이론 중 하나는 그들이 서로 상호 작용하는 방식이 그들의 이국적인 특성의 핵심이라는 것입니다. 우리가 여기서 배운 교훈은 훨씬 더 복잡한 물질에 적용될 수 있습니다."

이 연구는 미국 에너지부, 미국 국립과학재단, Gordon and Betty Moore Foundation의 EPiQS 이니셔티브 보조금의 지원을 받았습니다. 자료 제공: 매사추세츠 공과대학. 원본 작성: Jennifer Chu. 참고: 내용은 스타일과 길이에 따라 편집될 수 있습니다.