Nature Communications에 발표된 연구에 따르면, 지르코늄 펜타텔루라이드(ZrTe5)의 전자들은 양자 세계의 반항적인 십대들이다. 절대 영도에 가까운 온도와 냉장고 자석을 울게 만들 만큼 강력한 자기장에 노출되었을 때, 이 입자들은 기존의 기대를 무시하는 양자 진동을 보여주었다.

브라질 상파울루 대학교(USP), 로스앨러모스 국립연구소, 워싱턴 대학교 및 기타 미국 기관의 과학자들이 주도한 이 연구는 0.7켈빈(-272.45°C)의 온도와 최대 60테슬라의 자기장에서 전기 수송 실험을 상세한 이론 계산과 결합했다. 왜냐하면, 아시다시피, 물리학의 한계를 뛰어넘는 게 어때서?

"이 연구는 물질의 특이한 상태에서 전자 수송에 대한 이해를 확장하며, 위상 절연체가 전하뿐만 아니라 전자 스핀이라는 또 다른 기본 자유도도 수송한다는 것을 시사합니다,"라고 USP 물리학 연구소 교수이자 극한 조건에서의 양자 물질 연구소의 공동 설립자이자 소장인 훌리오 라레아 히메네스가 말한다.

라레아는 이 연구의 제1저자인 카우에 카우프만 히베이루의 박사 지도교수였으며, 그는 FAPESP 해외 연구 인턴십의 지원을 받아 로스앨러모스의 국립 고자기장 연구소에서 인턴십 기간 동안 실험 작업의 상당 부분을 수행했다. 요한나 팜스트롬과 숀 토마스가 공동 지도했다.

위상 절연체는 재료 과학의 괴짜들이다: 내부는 전기 절연체이지만 표면은 전기를 전도한다. 이는 결정 대칭성에 의해 보호되는 전자 밴드의 위상적 특성 때문이다. ZrTe5는 서로 다른 위상 상태 사이의 경계 근처에 위치하기 때문에 특히 특별하다. 즉, 온도, 기계적 변형, 화학 조성 또는 자기장의 작은 변화가 전자 거동을 극적으로 바꿀 수 있다. 이는 변덕스러운 예술가의 양자적 버전이다.

전자가 자기장을 통과할 때, 그 에너지는 레프 란다우(1908-1968)의 이름을 딴 란다우 준위라는 이산적인 값으로 제한된다. 순수 금속에서 이러한 준위는 페르미 준위를 반복적으로 교차할 수 있으며, 이는 일반적으로 1/B(B는 자기장)에 대해 예측 가능한 패턴을 따르는 슈브니코프-드 하스 진동으로 알려진 전기 저항의 진동을 생성한다. 그러나 ZrTe5는 그 메모를 받지 못했다.

연구진은 이 물질의 자기저항 진동이 1/B에 대해 일반적으로 주기적이지 않으며, 전자가 가장 낮은 란다우 준위에 갇혀 진동이 사라져야 하는 양자 한계를 훨씬 넘어서도 계속된다는 것을 발견했다. 대신, 진동은 나쁜 습관처럼 지속되었다.

"위상 전이 근처의 물질에서 전자는 금속 내의 일반 입자처럼 행동하지 않을 수 있습니다,"라고 카우프만은 설명한다. "그들의 전자 여기는 디랙 페르미온과 유사한 준입자처럼 행동하기 시작합니다. 우리 연구에서 우리는 이러한 준입자의 스핀이 중심적인 역할을 한다는 것을 보여줍니다: 강한 자기장을 가하면 스핀과 자기장 사이의 상호작용이 전자의 에너지 준위를 깊이 변화시킵니다. 그 결과, 일반적으로 시스템의 관련 에너지에서 멀어지는 란다우 준위가 '돌아와서' 다시 교차할 수 있습니다. 이러한 특이한 행동을 우리는 재진입 란다우 준위라고 부릅니다."

이를 설명하기 위해 연구진은 란다우 준위의 '백-벤딩' 과정을 제안한다. 일부 준위가 페르미 준위 쪽으로 휘어져 다시 교차하여 존재해서는 안 되는 영역에서 추가 진동을 생성한다. 이는 ZrTe5와 같은 강한 스핀-궤도 상호작용을 가진 물질에서 얽혀 있는 사이클로트론 에너지(궤도 운동에서)와 제이만 효과(스핀-자기장 결합) 사이의 상호작용 때문에 발생한다.

이 연구의 목표 중 하나는 비정상 진동이 다체 효과(집단) 때문인지 아니면 단일 입자 효과 때문인지 결정하는 것이었다.