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Jun 11, 2023

물리학자들은 물질의 새로운 이국적인 상태를 창조합니다: 보존 상관 절연체

합성 물질 시스템이 아닌 실제 물질 시스템에서 엑시톤(exciton)이라고 불리는 보존 입자의 고도로 정렬된 결정이 생성된 것은 이번이 처음입니다. Xionget al. 상관 절연체를 관찰

합성 물질 시스템이 아닌 실제 물질 시스템에서 엑시톤(exciton)이라고 불리는 보존 입자의 고도로 정렬된 결정이 생성된 것은 이번이 처음입니다.

Xionget al. 정공을 호스팅하는 텅스텐 이셀레나이드와 전자를 호스팅하는 이황화 텅스텐으로 구성된 이중층에서 층간 엑시톤의 상관 절연체를 관찰했습니다. 이미지 출처: Xiong et al., doi: 10.1126/science.add5574.

아원자 입자는 페르미온과 보존이라는 두 가지 광범위한 유형 중 하나로 나타납니다. 가장 큰 차이점 중 하나는 행동에 있습니다.

보존은 동일한 에너지 수준을 차지할 수 있습니다. 페르미온스는 같이 있는 걸 싫어해요. 이러한 행동이 함께 우리가 알고 있는 우주를 구성합니다.

전자와 같은 페르미온은 안정적이고 정전기력을 통해 상호 작용하기 때문에 우리에게 가장 친숙한 물질의 기초가 됩니다.

한편, 광자와 같은 보존은 일시적이거나 서로 상호작용하지 않기 때문에 생성하거나 조작하기가 더 어려운 경향이 있습니다.

“그들의 뚜렷한 행동에 대한 단서는 서로 다른 양자 역학적 특성에 있습니다.”라고 캘리포니아 대학교 산타바바라 캠퍼스의 대학원생인 제1저자 Richen Xiong이 말했습니다.

"페르미온은 1/2 또는 3/2 등과 같은 반정수 스핀을 갖는 반면, 보존은 정수 스핀(1, 2 등)을 갖습니다."

엑시톤은 음전하를 띤 전자(페르미온)가 양전하를 띤 반대편 정공(다른 페르미온)에 결합되어 두 개의 반정수 스핀이 함께 전체 정수가 되어 보존 입자를 생성하는 상태입니다.

시스템에서 엑시톤을 생성하고 식별하기 위해 Xiong과 동료들은 두 개의 격자를 층으로 쌓고 펌프-프로브 분광법이라고 부르는 방법으로 여기에 강한 빛을 비췄습니다.

각 격자의 입자(이황화 텅스텐의 전자와 이셀레나이드 텅스텐의 정공)와 빛의 조합은 연구자들이 이러한 입자의 거동을 조사할 수 있도록 하면서 엑시톤의 형성과 상호 작용에 유리한 환경을 조성했습니다.

“그리고 이러한 엑시톤이 특정 밀도에 도달하면 더 이상 움직일 수 없습니다.”라고 산타 바바라에 있는 캘리포니아 대학의 수석 저자이자 물리학자인 Chenhao Jin 박사는 말했습니다.

강한 상호 작용 덕분에 특정 밀도에서 이러한 입자의 집단적 행동은 결정 상태로 만들고 부동성으로 인해 절연 효과를 생성했습니다.

Xiong은 “여기서 일어난 일은 보존을 고도로 질서 있는 상태로 만드는 상관관계를 발견했다는 것입니다.”라고 말했습니다.

일반적으로 초저온에서 보존이 느슨하게 모여 응축물을 형성하지만, 이 시스템에서는 가볍고 상대적으로 높은 온도에서 밀도와 상호 작용이 증가하여 대칭형 고체 및 전하 중성 절연체로 조직화됩니다.

이러한 이국적인 물질 상태의 생성은 연구진의 모아레 플랫폼과 펌프-프로브 분광학이 보존 물질을 생성하고 조사하는 데 중요한 수단이 될 수 있음을 입증합니다.

Xiong은 “초전도성과 같은 결과를 초래하는 페르미온에는 여러 몸체 단계가 있습니다.”라고 설명했습니다.

"또한 이국적인 단계인 보존과 대응하는 다체도 있습니다."

"그래서 우리가 한 일은 플랫폼을 만드는 것이었습니다. 왜냐하면 실제 재료에서 보존을 연구할 수 있는 좋은 방법이 없었기 때문입니다."

엑시톤은 잘 연구되었지만 이 프로젝트가 있기 전까지 엑시톤이 서로 강하게 상호작용하도록 유도할 수 있는 방법은 없었습니다.”

연구팀의 방법을 사용하면 엑시톤과 같은 잘 알려진 보존 입자를 연구할 수 있을 뿐만 아니라 새로운 보존 물질을 통해 응축 물질의 세계에 더 많은 창을 열 수 있습니다.

“우리는 일부 재료가 매우 기괴한 특성을 가지고 있다는 것을 알고 있습니다.”라고 Jin 박사는 말했습니다.

"응집 물질 물리학의 한 가지 목표는 왜 이러한 풍부한 특성을 가지고 있는지 이해하고 이러한 동작을 보다 안정적으로 나타낼 수 있는 방법을 찾는 것입니다."

이 연구는 사이언스 저널에 실렸습니다.