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 Yatsen 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)

긴디킨(Gindikin)과 카메네프(Kamenev)는 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. 긴디킨(Gindikin)과 카메네프(Kamenev)는 이러한 상태가 미량의 불순물에 의해서도 쉽게 붕괴될 수 있지만, 수백 밀리켈빈 정도의 온도에서 초고순도 샘플을 통해 검출 가능할 것으로 예측한다.