미래 기술의 ‘완벽한 열쇠’를 밝히는 ‘퍼플 브론즈 디스커버리’

양자 과학자들은 절연체와 초전도체 사이를 전환하는 양자 장치의 “완벽한 스위치”를 개발하는 데 핵심이 될 수 있는 보라색 청동 현상을 발견했습니다.

브리스톨 대학에서 실시한 연구이며 다음과 같은 출판물에 게재되었습니다. 과학이 두 가지 반대 전자 상태는 개별 전도성 원자 사슬로 구성된 독특한 1차원 금속인 보라색 청동에서 발견됩니다.

예를 들어, 열이나 빛과 같은 작은 자극에 의해 촉발된 물질의 작은 변화는 전도성이 0인 절연 상태에서 무제한 전도성을 갖는 초전도체로, 또는 그 반대로 순간적으로 전환을 유발할 수 있습니다. “창발 대칭”으로 알려진 이러한 편파 다양성은 미래의 양자 기술 개발에서 완벽한 온/오프 스위치를 제공할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

이미지는 얼음층에서 나오는 완벽하게 대칭적인 물방울을 보여주는 대칭의 표현을 보여줍니다. 대조적으로, 눈 속의 얼음 결정은 복잡한 모양을 가지므로 물방울보다 덜 대칭적입니다. 보라색은 이 현상이 발견된 보라색-청동 물질을 나타냅니다. 크레딧: 브리스톨 대학교

13년 간의 여정

주저자 Nigel Hussey, University of 물리학 교수 브리스톨 대학교“미래의 양자 장치에 완벽한 열쇠를 제공할 수 있는 정말 흥미로운 발견입니다.”라고 그는 말했습니다.

“흥미로운 여정은 13년 전 두 명의 박사 과정 학생인 Xiaofeng Xu와 Nick Wickham이 보라색 청동의 자기 저항(자기장에 의해 발생하는 저항의 변화)을 측정했을 때 내 연구실에서 시작되었습니다.”

자기장이 없는 경우 보라색 청동의 저항은 전류가 유입되는 방향에 따라 크게 달라집니다. 온도 의존성도 복잡했습니다. 실온에서는 저항률이 금속성이지만 온도가 낮아지면 저항률이 반전되어 재료가 절연체로 변하는 것처럼 보입니다. 그러다가 온도가 가장 낮아지면 초전도체로 변하면서 저항이 다시 감소합니다. 이러한 복잡성에도 불구하고 자기저항은 놀라울 정도로 간단합니다. 이는 전류 또는 자기장이 정렬되는 방향에 관계없이 본질적으로 동일했으며 실온에서 초전도 전이 온도까지 완벽한 선형 온도 의존성을 따랐습니다.

허시 교수는 “이 수수께끼 같은 행동에 대해 일관된 설명을 찾을 수 없었고 데이터는 향후 7년 동안 휴면 상태로 출판되지 않은 채 남아 있었다. 이러한 격차는 양자 연구에서 흔치 않은 일이지만 그 이유는 통계가 부족해서가 아니었다”고 허시 교수는 말했다. 설명했다.

“자기 반응의 이러한 단순성은 항상 복잡한 기원을 속이는 것이며, 그 잠재적인 해결책은 우연한 만남을 통해서만 나올 것입니다.”

우연한 만남이 돌파구를 만든다

2017년 Hussey 교수는 Radboud University에서 근무하던 중 보라색 청동을 주제로 한 물리학자 Piotr Chudzinski 박사의 세미나 광고를 보았습니다. 당시에는 이 미지의 물질에 대해 전체 심포지엄을 할애하는 연구자가 거의 없었기 때문에 그의 관심이 자극되었습니다.

Hussey 교수는 “심포지엄에서 Chudzinski는 높은 저항이 전도 전자와 ‘암흑 엑시톤’으로 알려진 파악하기 어려운 복합 입자 사이의 간섭으로 인해 발생할 수 있다고 제안했습니다. 우리는 심포지엄이 끝난 후 대화를 나누며 그의 이론을 테스트하기 위한 실험을 함께 제안했습니다. 우리는 후속 측정을 통해 본질적으로 이를 확인했습니다.”

이러한 성공에 힘입어 Hussey 교수는 Shaw와 Wakeham의 자기저항 데이터를 부활시켜 Chudzinski 박사에게 제시했습니다. 데이터의 두 가지 주요 특징(온도에 따른 선형성 및 전류 방향 및 자기장과의 독립성)은 Chudzinski의 흥미를 끌었으며 동일한 물질이 물질의 성장 방식에 따라 절연 및 초전도 동작을 나타낼 수 있다는 사실도 마찬가지였습니다.

Chudzinski 박사는 완전히 절연체로 전환되기보다는 앞서 제시한 전하 캐리어와 엑시톤 사이의 상호 작용으로 인해 전자가 온도가 감소함에 따라 절연 상태와 초전도 상태 사이의 경계쪽으로 끌릴 수 있는지 궁금해했습니다. 동일한 한계에서 시스템이 절연체나 초전도체가 될 확률은 본질적으로 동일합니다.

Hussey 교수는 “이러한 물리적 대칭은 특이한 경우이며, 온도가 감소함에 따라 금속에서 이러한 대칭이 발생하여 ‘창발 대칭’이라는 용어가 세계 최초로 나타날 것입니다.”라고 말했습니다.

물리학자들은 대칭 파괴 현상, 즉 냉각 시 전자 시스템의 대칭성이 낮아지는 현상에 대해 잘 알고 있습니다. 얼음 결정에 있는 물 분자의 복잡한 배열은 이러한 깨진 대칭의 예입니다. 그러나 그 반대의 경우는 독특하지는 않더라도 극히 드물게 발생합니다. 물/얼음 비유로 돌아가면, 얼음이 더 냉각된 후 얼음 결정의 복잡성이 다시 “녹아” 물방울처럼 일관되고 부드러운 것으로 돌아가는 것과 같습니다.

창발대칭: 드문 현상

현재 퀸즈 대학교 벨파스트의 연구원인 Chudzinski 박사는 다음과 같이 말했습니다. “무디고 뒤틀린 모양이 아름답고 완벽하게 대칭적인 구체로 변형되는 마술을 상상해 보십시오. 간단히 말해서 이것이 떠오르는 대칭의 본질입니다. 질문은 우리의 물질인 보라색 청동이고, 우리의 마술사는 자연 그 자체이다.” .

이론에 물이 포함되어 있는지 추가로 테스트하기 위해 Radboud University에서 근무하는 또 다른 박사 과정 학생 Martin Berbin이 추가로 100개의 개별 결정(일부는 절연성, 일부는 초전도성)을 검사했습니다.

Hussey 교수는 다음과 같이 덧붙였습니다. “Martin의 엄청난 노력 이후 이야기는 완성되었으며 서로 다른 결정이 완전히 다른 바닥 상태를 갖는 것처럼 보이는 이유가 분명해졌습니다. 미래를 내다보면 이 ‘참신함’을 활용하여 스위치를 만드는 것이 가능할 수도 있습니다. 작은 자극이 트리거되는 양자 회로 스위칭 저항의 깊고 큰 변화.

참고 자료: P. Chudzinski, M. Berben, Xiaofeng Xu, N. Wakeham, B. Bernáth, C. Duffy, R. D. H. Hinlopen, Yu-Te Hsu, S.의 “Mottness 가장자리에 있는 저차원 초전도체의 대칭성 출현” 와이드먼, B. Tinnemans, 진 롱잉, M. Greenblatt, N. E. Hussey, 2023년 11월 16일, 과학.
도이: 10.1126/science.abp8948