고에너지 소용돌이 상태의 징후 탐색
Synopsis: Seeking Signatures of High-Energy Vortex States

광자, 전자 및 기타 입자는 궤도 각운동량을 운반하는 나선형 파면을 가진 파동 묶음(wave packet)으로 전파될 수 있다. 이러한 소용돌이 상태는 원자, 핵, 그리고 강입자(hadron) 시스템의 동역학을 탐구하는 데 활용될 수 있다. 최근 연구자들은 X선 광자의 소용돌이 상태를 입증했으며, MeV에서 GeV에 이르는 더 높은 에너지 입자에 대해 이러한 상태를 실현하는 방법을 제안했다. 그러나 고에너지 소용돌이 상태를 검증하는 것은 어려운 과제가 될 것이다. 왜냐하면 저에너지에서 사용되는 특성화 기술은 고에너지에서는 성능이 저하되기 때문이다. 중국 중산대학교(Sun Yat-sen University)의 리정지앙(Zhengjiang Li) 교수와 상하이광학정밀기계연구소(Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics) 연구진은 고에너지 소용돌이 상태를 진단하기 위한 새로운 방법을 제안했다. 이 접근법은 슈퍼킥(superkick)이라 불리는 독특한 산란 현상을 통해 이러한 상태를 밝혀낼 수 있을 것이다.

슈퍼킥은 소용돌이 광선의 축 근처에 배치된 원자가 광자를 흡수할 때 발생하는 것으로 이론화된 효과이다. 이러한 조건에서 원자는 광자가 가진 횡운동량보다 더 큰 횡운동량을 얻어 측면으로 밀려날 수 있다. 리정지앙 교수와 그의 연구진은 전자를 포함한 유사한 슈퍼킥 현상을 고려했다. 그들은 하나는 소용돌이 상태이고 다른 하나는 비소용돌이 상태인 두 전자 파동 묶음이 10 MeV에서 정면 충돌하는 탄성 산란을 분석했다. 계산에 따르면, 빔에 있는 두 전자는 산란 후 크기가 영(zero)이 아니고 검출 가능한 총 횡운동량을 얻게 된다. 연구진은 소용돌이 상태의 뚜렷한 징후를 예측했다: 충돌 지점이 소용돌이 축에 가까워질수록 운동량 불균형이 증가한다는 것이다.

연구진은 아직 관측된 적 없는 슈퍼킥 효과가 현실적인 실험 조건에서 검출 가능할 것으로 기대하고 있다. 이들은 이러한 아이디어를 광자, 이온, 나아가 강입자의 고에너지 소용돌이 상태로 확장할 수 있을 것이라고 제안한다.

스핀-궤도 결합 전자가 초전도 쌍을 형성할 수 있다
Synopsis: Spin–Orbit-Coupled Electrons May Form Superconducting Pairs

한 전자가 다른 전자의 전기장에서 움직일 때, 특수 상대성 이론에 따르면 그 전자는 전자의 스핀과 결합된 자기장을 느낀다. 이른바 쌍 스핀-궤도 상호작용(Pair Spin–Orbit Interaction, PSOI)은 1929년에 처음으로 등장했으나,2) 오랜 시간 동안 고체의 전자적 특성에 영향을 미치기에는 그 효과가 너무 미미하다고 여겨져 왔다. 그러나 미네소타 대학교의 야샤 긴디킨(Yasha Gindikin)과 알렉스 카메네프(Alex Kamenev)는 특정 물질에서 PSOI가 비정상적인 초전도성을 유발할 만큼 충분히 강할 수 있다고 제안했다.3)

긴디킨과 카메네프는 라쉬바 효과(Rashba effect)와 연관된 또 다른 유형의 스핀-궤도 결합을 나타내는 특정 물질군에서 PSOI를 분석했다. 라쉬바 효과는 자기장을 가하지 않고도 전자의 스핀 편극 전류(spin-polarized currents)를 생성할 수 있다는 가능성 때문에 수십 년간 연구되어 왔다. - 이는 전압 제어형 스핀트로닉(spintronics) 장치의 핵심 기능이다. 라쉬바 효과는 반전 대칭성이 결여된 결정에서 발생할 수 있으며, 이 경우 스핀-업(spin-up) 전자와 스핀-다운(spin-down) 전자가 서로 다른 전도띠로 분리된다. 라쉬바 효과는 초기 예상보다 강한 효과를 나타내는 물질이 발견되고 개발되면서 더욱 주목받게 되었다.

연구자들의 계산에 따르면, PSOI는 이러한 라쉬바 시스템에서도 특히 강하게 나타난다. 더 나아가, 계산 결과 PSOI는 전자들이 쌍을 이루어 초전도 상태를 생성할 수 있음을 보여준다. 2차원(2D)과 3차원(3D)에서 쌍의 대칭성은 다르지만, 두 경우 모두 홀수 패리티(odd parity)를 가지며, 이는 해당 시스템이 비정상적인 초전도체(unconventional superconductor)임을 의미한다. 긴디킨과 카메네프는 이러한 상태가 미량의 불순물에 의해서도 쉽게 붕괴될 수 있지만, 수백 밀리켈빈 정도의 온도에서 초고순도 샘플을 통해 검출 가능할 것으로 예측한다.