위그너 고체 찌그러뜨리기
Synopsis: Squeezing a Wigner Solid

1934년 유진 위그너는 균일한 분포의 양전하 배경 위에서 낮은 온도, 낮은 밀도의 전자 기체는 현재 위그너 결정이라고 불리는 이차원 격자 구조를 형성하리라고 예상했다. 과거 20년간 이러한 구조는 양자 다체계의 상호작용을 연구하는 강력한 플랫폼이 되었는데, 그러한 실험들은 항상 등방 구조의 위그너 결정을 사용했으므로 연구할 수 있는 현상이 제한적이었다. 한편, 최근 프린스턴 대학의 Shafayat Hossain과 연구팀은 비등방성의 위그너 결정을 만들어 내었다.1)

Hossain과 연구팀은 필요한 높은 질서도와 비등방적 전자 에너지띠를 같이 구현하기 위해 AlAs의 단결정으로부터 형성된 양자 우물에서 위그너 결정을 만들었다. AlAs의 전도띠 전자들은 결정축과 나란하게 두 에너지 골짜기를 만든다. 연구팀은 표본을 두 축 중 하나의 결정축 방향으로 압축하여 전도띠 전자의 에너지를 조절하고, 이로써 전자들을 하나의 에너지 골짜기에 가두어 위그너 결정을 만들었다.

연구팀의 위그너 결정은 전기적 특성에서 큰 비등방성이 관측되었다. 그리고 그들의 결정은 한 방향으로 더 불안정하였다. 위그너 결정은 보통 숙주 물질의 드문 결함에 의해 공간적으로 고정되지만 충분히 강한 전기장에 의해 움직일 수 있다. Hossain과 연구팀의 위그너 결정은 압축된 축 방향을 따라 더 쉽게 움직였다. 그러나 매우 놀랍게도 그들의 위그너 결정은 녹는점이 0.9 K으로 관측되어 이론적 예상치인 100 mK보다 상당히 높았다. 연구팀은 현재 관측된 높은 녹는점과 비등방성의 관계를 파악하는 실험을 계획하고 있다.

비틀린 이중 층 그래핀의 개념적 사촌
Synopsis: A Conceptual Cousin for Twisted Bilayer Graphene

2018년 물리학자들은 두 층의 그래핀 원자가 서로 1.05도만큼 비틀어져 있는 이상한 초전도체를 발견했다. 이러한 마법-각도 비틀림의 이중 층 그래핀은 구리 산화물 계열 초전도체와 비슷한 초전도 상태를 보이지만 화학적으로 더 간단하고, 특성을 조절하기 쉽다. 최근 베이징 대학교의 Zhi-Da Song과 프린스턴 대학교의 Bogdan Bernevig는 비틀린 이중 층 그래핀의 전자 거동과 무거운 페르미온 물질로 알려진 계의 전자 거동이 연관되어 있다고 주장했다.2)

비틀린 이중 층 그래핀의 전기 특성은 전자들의 모순적인 성질로부터 발생한다. 떠돌이 전자로 불리는 전자 그룹은 자유롭게 움직이며 물질에 전도성을 부여한다. 한편 국소화된 다른 그룹의 전자는 강력한 포텐셜 장벽에 의해 움직임이 제한된다. 이런 두 종류의 전자들 존재는 물질을 초전도체로부터 부도체로 쉽게 바꿀 수 있게 하는 듯하지만, 아직 정확한 이유를 알고 있지 않다. 이를 이해하기 위해 Song과 Bernevig는 무거운 페르미온 모형으로 관심을 돌렸다.

연구팀의 모형이 기술하는 무거운 페르미온 물질은 무거운 희토류 원소가 상대적으로 좀 더 가벼운 원소와 결합하는 화합물인데, 비틀린 그래핀처럼 국소 전자와 떠돌이 전자를 갖고 있다. Song과 Bernevig는 정확한 계산을 바탕으로 무거운 페르미온 모형을 사용하여 비틀린 이중 층 그래핀의 전자 띠 구조를 기술할 수 있음을 알아냈다. 그들은 비틀린 그래핀의 뜰뜸 에너지 스펙트럼의 파라미터들이 무거운 페르미온 모형의 파라미터와 직접 대응함을 알아냈다. 모형은 물질의 부도체 상태도 또한 설명한다. 연구팀은 그들의 모형이 그래핀의 이상한 초전도성뿐만 아니라 비틀린 이중 층을 가진 다른 물질의 성질도 연구할 수 있는 기반을 제공한다고 말한다.

뇌 발달의 퍼즐을 풀다
Synopsis: Solving a Puzzle in Brain Development

주 시각피질이라고 불리는 뇌의 영역에서는 각각의 뉴런이 이미지가 특정 각도의 밝은 혹은 어두운 경계를 인식할 때 전기 신호를 전달한다. 신호 전달을 일으키는 그러한 경계의 각도는 뉴런마다 다르다. 이러한 각도는 유아기 동물이 처음 눈을 뜨기도 전에, 즉 시각적 경험 없이도 선택적으로 발달한다. 일본 RIKEN Center for Brain Science의 Francesco Fumarola와 연구팀은 최근 이러한 놀라운 관측을 설명하는 모형을 만들었다.3)

각도의 선택성은 같이 발화하는 뉴런은 서로 연결된다는 규칙을 통해 발생한다고 여겨진다. 어떤 두 뉴런이 종종 같은 시간에 활성화되면 그 두 뉴런들 사이의 연결이 강해져서 한 뉴런의 활동이 다른 뉴런의 활동을 자극한다는 의미이다. 이전의 연구는 이러한 과정이 외부 시각 자극 없이도 주 시각피질의 입력 뉴런들이 특정 패턴으로 동시에 발화된다면 각도 선택성의 발달을 끌어낼 수 있다는 것을 보였다. 그러나 이전 연구에서 예상된 발화 패턴은 실험에서 관측된 패턴과 들어맞지 않았다.

Fumarola와 연구팀은 실험에서 관측된 발화 패턴이 각도 선택성을 끌어낼 수 있는 경로를 알아냈다. 그들의 모형에 따르면 주 시각피질과 더 강하게 연결된 입력 뉴런들은 더 많은 연결을 가진 다른 뉴런과는 효율적으로 경쟁하지 못한다. 그리하여 이러한 입력 뉴런의 발화는 각도 선택성을 발생시키도록 유도한다. 연구팀은 그들의 연구가 뇌 발달의 다른 측면도 더 잘 이해하는 데도 이바지할 수 있다고 주장한다.

양자 열 트랜지스터가 열전류를 증폭하다
Synopsis: Quantum Thermal Transistor Amplifies Heat Currents

전자 트랜지스터가 회로의 전류를 조절하는 것처럼, 열 트랜지스터는 열전류를 조절하여 증폭하거나 어떤 값 사이에서 작동하는 스위치 역할을 한다. 거시적 열 트랜지스터는 전력 장치에서 폐열을 재활용하는 데 사용되고, 미시적 열 트랜지스터는 민감한 장치를 열로부터 보호하는 데 사용된다. 단순한 양자계의 이론적 연구는 열저장체와 상호작용하는 큐빗이 열 트랜지스터의 스위칭 역할을 할 수 있음을 보였다. 최근 인도 Indian Institute of Technology Kanpur의 Nikhil Gupt와 Arnab Ghosh 그리고 연구팀은 이전 연구를 확장하여 열전류를 증폭할 수 있는 양자 열 트랜지스터를 제안하였다.4)

전형적인 양자 열 트랜지스터는 세 개의 큐빗이 각각의 열저장체와 결합된 구조이다. 세 열저장체 중 어떤 하나의 온도를 바꿈으로써 이와 결합된 큐빗이 다른 두 큐빗을 통하는 열전류를 조절할 수 있도록 한다. 트랜지스터 효과는 조절하는 큐빗의 전류가 다른 두 큐빗으로 흘러가는 전류를 스위칭할 수 있을 만큼 커야 발생한다.

열저장체의 온도를 바꾸는 대신에 연구팀은 펄스 레이저를 사용하여 큐빗 중 하나에 반복적으로 힘을 가하는 방법을 제안했다. 연구팀의 모형은 그렇게 함으로써 들뜬 큐빗을 이용하여 다른 두 큐빗을 통하는 전류를 조절하고 전류의 크기를 결정할 수 있음을 보여준다. 연구팀의 예상으로는 이러한 디자인을 사용하여 열전류를 150배 이상으로 증폭할 수 있다고 한다.

연구팀은 그들의 디자인이 이전의 제안과 달리 열저장체의 온도가 절대영도에 근접할 때에도 여전히 작동할 것이라고 말한다. 연구팀의 장치는 열저장체의 온도를 바꾸는 에너지가 많이 드는 과정을 거치지 않는다. 연구팀은 레이저에 의해 들뜨는 매우 얇은 필름 형태의 큐빗을 사용하여 실현 가능하리라고 예상한다.