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Physical Review Focus
등록일 : 2023-08-23 ㅣ 조회수 : 1,491
양자계의 열화를 관찰하다 자연의 힘의 대칭성을 물리학자들은 게이지 이론으로 다룬다. 이러한 이론은 수학적 우아함을 지니고 있지만, 구성 요소가 강하게 상호 작용하는 시스템에는 적용하기 어려울 수 있다. 불연속 격자에서 계산을 수행하면 계산 부담이 줄어들지만 여전히 매우 어렵다. 다른 방법은 양자 역학적 설명이 같고 더 다루기 쉬운 시스템을 이용해서 시뮬레이션하는 것이다. 중국과학기술대학의 Han-Yi Wang과 연구팀은 바로 그 방법을 사용했다.1) 연구팀은 19개 사이트의 광학 격자를 사용하여 단순화된 게이지 이론에서의 무거운 입자의 거동을 모방할 수 있었고, 더 복잡한 계산으로 향하는 길을 보여주었다. 연구팀의 광학 격자는 극저온 루비듐-87 원자가 들어갈 수 있는 깊고 얕은 우물을 번갈아 배치한 구조이다. 다양한 매개변수를 조정하여 단일 입자 호핑을 억제하고 입자 쌍 호핑을 일으켜 Schwinger 모델로 알려진 게이지 이론의 일차원 격자 버전에서 기술하는 입자의 상호작용에 대응하도록 하였다. 연구팀은 반자성과 유사한 양자 임계 상태를 구현하도록 업 다운 스핀의 바닥 상태 원자가 번갈아 나타나도록 격자를 채우고 계가 열화되는 과정을 추적했다. 고전계와 달리 닫친 양자계는 긴 시간이 지나도 반드시 최대 엔트로피 상태에 도달하지는 않는다. 연구팀의 실험에서는 열화 지연 현상이 나타났는데, 이는 양자 임계 상태와 관련이 있는 예상치 못한 결과였다. Wang은 이 발견이 게이지 이론에서 열화가 어떻게 일어나는지 설명하는 데 도움이 될 수 있다고 말한다. |
흔들린 원자의 양자 상태 바뀜 Rydberg 원자(매우 들뜬 전자를 가진 원자)는 긴 지속시간과 같은 특성 때문에 양자 컴퓨팅 및 양자 시뮬레이션에 유용할 수 있다. 이러한 응용을 위해 연구자들은 원자를 일차원 격자에 가두어 레이저로 각 원자의 양자 상태를 조작하려고 한다. 그러나 이러한 양자 상태 전이를 일으키기 위한 레이저 기반 방법은 어떤 유형의 양자 정보 처리에 필요한 소위 홀수 패리티 전이를 만드는 데 어려움이 있다. 최근 연구에서는 일차원 격자에 갇힌 원자에 대해 홀수 패리티 및 짝수 패리티 Rydberg 전이를 모두 유도하는 방법을 개발하여2) 양자 정보 처리에 더욱더 유용하게 만들었다. University of Michigan, Ann Arbor의 Ryan Cardman과 Georg Raithel은 Rydberg 원자를 마주 진행하는 레이저 빔으로 만든 일차원 격자에 가두고, 위상 조절할 수 있는 레이저를 조사하여 격자를 앞뒤로 흔들었다. 그들은 진동 주파수를 변화시키면서 격자에 갇힌 들뜬 Rydberg 원자의 양자 상태를 측정했다. Cardman과 Raithel은 들뜬 원자의 전이 주파수가 진동 주파수의 정수배일 때 격자의 원자가 Rydberg 양자 상태 사이를 전환할 수 있음을 보였다. 그들은 격자 레이저 중 하나를 차단하여 상태 스위칭과 관련된 스펙트럼선이 사라진 것을 보여줌으로써 진동하는 격자가 들뜸의 원인임을 확인했다. 측정된 스펙트럼선은 그들의 시뮬레이션 결과와 마이크로웨이브 조사 접근 방식에 기반한 예상과도 잘 들어맞았다. |
이원 수소화물 초전도체, 삼원계 사촌을 만나다 고온 초전도체를 찾는 탐색에서 초수소화물이라고 하는 수소가 풍부한 물질이 강력한 후보이며, 실험에서 약 250K(‒23°C)까지 초전도 상태를 유지할 수 있음을 보였다. 지금까지 초전도 초수소화물에 대한 모든 시연은 수소와 다른 원소 하나를 포함하는 화합물인 이원 합금에 대한 것이었다. 최근 중국 Jilin University의 Guangtao Liu와 연구팀은 삼원 수소화물 LaBeH8에서 초전도를 측정했다. 연구팀은 이 물질이 80GPa의 압력에서 최대 110K까지 초전도성을 유지할 수 있음을 발견했다.3) 삼원 수소화물은 이원 수소화물보다 더 다양한 구조가 가능하여 고온 초전도 연구에 사용할 수 있는 재료의 범위를 크게 확장할 수 있다고 Liu는 말한다. 재료의 화학적 조성은 초전도 여부와 초전도 전이 온도를 결정하는 핵심 요소이다. 연구팀은 거의 모든 가능한 이원 수소화물을 조사했으며 더 높은 초전도 온도에 도달하는 것을 목표로 새로운 시스템을 찾고 있다. 모델에서는 이원 수소화물보다 6배 더 안정적인 삼원 수소화물이 있으며 이러한 물질이 상온보다 높은 초전도 온도를 가질 수도 있다고 예측한다. 그러나 지금까지는 7K 미만의 저온 초전도만 관측되었다. Liu는 LaBeH8에서 측정된 110K의 초전도 온도는 이원 수소화물에서 달성한 최댓값보다 훨씬 낮지만, 실험은 여전히 그 원리의 증명을 위해 필요하다고 말한다. “이 실험은 높은 TC 값을 가질 수 있는 다른 미개척의 삼원 수소화물을 계속 조사해볼 필요가 있음을 시사한다”라고 Liu는 말한다. |
비평형 플랫밴드 초전도체의 정적인 전자들 2018년에 특정 각도로 엇갈리게 쌓인 두 개의 그래핀 층이 초전도성을 나타낼 수 있음이 발견되었다. 이론가들은 이러한 비틀린 물질의 전자 구조가 “플랫밴드”와 거의 유사함을 알아냈다. 즉, 물질 내 자유 전자의 에너지가 운동량과 관계없이 일정하다. 이 현상은 플랫밴드 초전도성을 나타내는 계에 대한 많은 일들에 영감을 주었다. 그러나 대부분의 연구는 그러한 계가 평형 조건에서 어떻게 작동하는지에 초점을 맞추었다. 최근 핀란드 Aalto 대학의 Päivi Törmä와 연구팀은 비평형 조건에서 초전도 플랫밴드 계의 거동을 조사했다.4) 이 연구 결과는 에너지 소비가 적은 초전도 장치 설계에 도움이 될 수 있다. Törmä와 연구팀은 전압이 가해진 이상적인 플랫 밴드 물질을 고려하여 비평형 계로 만들었다. 그들의 예측은 이 비평형 시스템에서 쌍을 이룬 전자와 짝을 이루지 않은 전자가 평형 시스템에서와 같은 패턴을 따른다는 것이다. 짝을 이루지 않은 전자는 정지된 준입자를 형성하고 쌍을 이룬 전자는 저항이 없이 흐른다. 또한 평형 비평형 계 모두에서 플랫밴드는 전자가 초전도에 필요한 결합 쌍을 생성하는 데 도움을 준다. Törmä는 그들의 연구가 움직이는 준입자를 포함하는 초전도체보다 플랫밴드 물질의 잠재적인 이점을 보여준다고 말한다. 이러한 준입자는 교류에서 에너지를 흩어버려 시스템의 에너지 소비를 증가시킨다. 향후 연구에서는 이 연구를 실제 재료로 확장하고 실험 그룹과 협력하여 모델의 예측을 테스트해 볼 계획이다. |
*Translated from English and reprinted with permission from the American Physical Society.
*This work may not be reproducded, resold, distributed or modified without the express permission of the American Physical Society.
[편집위원 김동희 (dongheekim@gist.ac.kr)]
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