스핀 아이스의 초저온 역학
Synopsis: Ultracold Dynamics of Spin Ices

실험을 통하여 스핀 아이스로 알려진 특이한 물질이 평형 상태인지 비평형 상태인지 구분할 수 있는 온도 범위를 확인한다.

물 얼음은 물분자들로 이루어진 결정 격자를 포함하고 있다. 이와 유사하게 스핀 아이스라고 불리는 물질은 자기 스핀으로 이루어진 결정 격자를 포함한다. 초저온에서 이러한 스핀 간의 경쟁적인 상호작용은 고립된 자기 전하처럼 작용하는 준입자 또는 자기 홀극과 같은 특이한 현상을 유발한다. 이러한 행동은 그동안 이해하기 어려웠으나, 스핀 아이스가 열역학적 평형 상태인지, 비평형 상태인지에 대한 조건을 규명하는 것은 이를 이해하는데 중요한 진전을 이룰 수 있다. 현재 프랑스 Grenoble Alpes University의 Néel 연구소(CNRS)에 Félix Morineau와 그의 동료들이 이 지식의 공백을 채우는 데 기여했다.1)

통계 물리학에서 중요한 도구 중 하나는 이른바 변동-소산 관계로, 시스템의 열적 변동을 외부 섭동에 대한 에너지 소산과 연결한다. 열역학적 평형 상태에 있는 시스템은 이 관계를 만족하지만, 비평형 상태에 있는 시스템은 이를 만족하지 않는다. Félix Morineau와 그의 동료들은 두 가지 대표적인 스핀 아이스인 Dysprosium titanate와 Holmium titanate에서 두 가지 매개변수(자기 노이즈와 교류 감수성)를 고정밀 측정으로 이 관계를 테스트했다. 이들은 온도를 수 켈빈에서 150 mK까지 낮추어 실험했다.

연구팀은 변동-소산 관계가 400 mK 이상에서 만족된다는 사실을 발견했다. 그러나 세부적인 분석을 통하여 스핀 아이스가 전역적인 열역학적 평형 상태에 있는 것은 650 mK 이상에서만 가능하다는 것이 밝혀졌다. 400 mK에서 650 mK 사이에서는 국부적으로만 평형이 이루어졌으며, 이 온도 구간에서는 물질의 일부 영역이 특정한 자기화 상태에 갇혀 있었다. 이 구간에서 연구자들은 이전에 보고되지 않은 소산 과정과 함께 에이징 효과(시스템이 준비된 이후 경과한 시간에 따라 물리적 특성이 변하는 현상)도 관찰했다.

스핀 체인의 숨겨진 위상 구조
Synopsis: Hidden Topology of Spin Chains

이론적 연구에 따르면, 일차원 양자 자석의 현실적인 모델은 위상적으로 비평범한 바닥 상태를 가진다고 나타낸다.

양자 자성에서 기본적인 모델 중 하나는 스핀-1 반강자성 하이젠베르크 사슬로 불리는 모델이다. 이 모델은 인접한 스핀이 반평행이 되는 것을 선호하는 상호작용을 통해 서로 결합된 일차원 스핀-1 입자들의 연속적인 배열을 묘사한다. 이상화된 성질에도 불구하고 이 모델은 실제 물질에서 정확하게 구현될 수 있어 응집물질 물리학에서 중요한 테스트 베드로 활용되고 있다. 1980년대 초반, 이론물리학자 Duncan Haldane은 이러한 시스템의 바닥 상태가 고유하며 에너지 장벽에 의해 들뜬 상태와 분리된 갭(gap)을 가진다고 제안했다. 최근 일본 Gakushuin University의 Hal Tasaki는 홀데인의 주장이 옳을 경우 바닥 상태가 비평범한 위상 구조를 가진다는 것을 엄밀히 증명했다.2) 이 발견은 시스템이 위상적으로 보호된 가장자리 상태(topologically protected edge states)와 위상적 상전이(topological phase transitions)와 같은 특이한 현상을 나타냄을 시사하며, 이는 다양한 양자 기술에서 잠재적 응용 가능성을 가진다.

일반적으로 양자 다체 시스템(many-body system)의 바닥 상태는 세 가지 유형 중에 하나로 나눌 수 있다. 첫째는 고유하고 갭이 있으며 위상적으로 자명한 상태, 둘째는 고유하고 갭이 있으며 위상적으로 비자명한 상태, 셋째는 비고유하거나 갭이 없는 상태이다. Tasaki는 단계적인 수학적 증명을 통해 스핀-1 반강자성 하이젠베르크 사슬에서 바닥 상태가 동시에 고유하고 갭이 있으며 위상적으로 자명할 수 없는 것을 입증함으로써 첫 번째 가능성을 배제했다. 연구자는 남은 과제가 바닥 상태가 고유하고 갭이 있음을 증명하는 것이라고 언급한다. 그는 과학자들이 컴퓨터의 도움을 받아 이 작업을 수행할 수 있는 새로운 수학적 기법을 개발할 것을 권장한다.

진동하는 자기저항
Synopsis: Oscillating Magnetoresistance

저온에서 층상 자기 반도체의 저항은 증가하는 자기장에 반응하여 급격하게 위아래로 움직인다.

전자 기기를 설계하는 사람들은 가해진 전기장뿐만 아니라 자기장에도 반응하는 반도체를 원할 것이다. 소위 반데르발스 자석이 유망한데 이는 약하게 결합된 2-D 자성층이 교대 또는 반자성 극성을 띠도록 쌓인 구조를 가지고 있다. 그러나 그들의 전도 대역이 너무 좁아 밀집된 전자가 이동하기 어려워 좋은 반도체로 작용하지 못한다. 예외적으로 2023년 Geneva 대학의 Alberto Morpurgo와 그의 동료들에 의해 반데르발스 자석 CrPS4가 비정상적으로 넓은 밴드와 재료의 저항에서 큰 자기 의존성을 가지고 있다는 사실을 발견했다.3) Morpurgo와 그의 팀은 이제 이 자기 저항을 더 자세히 연구했다. 그들은 특정 조건에서 자기저항이 진동한다는 것, 즉 인가된 자기장이 증가함에 따라 자기저항이 오르내리는 것을 발견했다.4) 연구진은 이러한 예상치 못한 진동 동작이 반데르발스 자석을 통한 전송의 특성을 더 잘 이해할 필요성을 보여준다고 말한다.

연구진은 그래핀 전극 사이에 다양한 두께의 CrPS4 얇은 슬래브를 끼웠다. 그런 다음 온도, 인가 자기장, 인가 전압을 변화시키면서 소자를 통과하는 전류를 측정했다. 그 결과 전압이 크면 전자들이 전도대로 쌓이면서 자기저항이 사라진다는 것을 발견했다. 그러나 중간 전압 값에서는 전자들이 전도대에 도달할 수 없었다. 대신 전자들은 밴드갭 내의 결함 상태에 갇혔다. 전자들은 여전히 얇은 반자성층에서 다음 반자성층으로 이동하여 전류를 형성할 수 있었지만, 인가된 자기장이 반자성층의 극성을 어떻게 재배치하는지에 따라 이동이 더 어려워지거나 쉬워지고 저항은 더 높아지거나 낮아졌다.

결정화 진행 상황 보기
Synopsis: Watching Crystallization Advance

콜로이드 입자를 이용한 실험에서 결정화 액체를 고체 형태에서 분리하는 중간층이 형성되는 조건을 발견했다.

결정화 액체의 원자가 단단한 격자로 재배열되는 방식은 구체의 구조와 특성에 영향을 미친다. 그러나 이를 관찰하는 것은 어렵다. Hong Kong University of Science and Technology의 Yilong Han과 그의 동료들은 콜로이드 입자를 기반으로 한 모델 시스템을 이용하여 결정화 과정을 실시간으로 추적하는 데 성공했다.5) 그들은 시스템이 어떻게 냉각되는지에 따라, 진행 중인 결정화 전선이 두 상의 결정층을 형성할 수 있다는 것을 발견했다.

Han과 그의 동료들은 수용성 염료 용액에 떠있는 고분자 미세구슬을 사용했다. 이유는 아직 명확하지 않지만, 이 염료는 미세구슬에 온도 의존적인 인력을 부여한다. 미세구슬의 반지름도 온도에 따라 달라진다. 주변 온도가 떨어지면 미세구슬은 더 밀집되고 인력이 더 강해지며 제어가 가능한 결정화가 이루어진다. 연구팀은 콜로이드 혼합물을 투명한 직사각형 탱크에 붓고 결정화 과정을 위에서 비디오로 촬영했다. 온도를 어는점까지 낮추면 예상대로 밀집된 육각형 격자가 형성된다. 그러나 온도를 더 낮추자 육각형 결정 전선과 액체 사이에 이른바 중간영역(interzone)이 형성되었다. 이는 느슨하게 배열된 정사각형 격자의 미세구슬들로 이루어져 있었다. 이 두 단계의 동결 과정은 얼음 위에 액체 막이 형성되는 ‘준융해층(premelting layer)’과 같지만 그 반대 과정을 나타낸다. 실제로 기존의 준융해 이론은 연구진들이 관찰한 구역 간 두께의 온도에 따른 로그 함수 의존성을 재현했다. 놀랍게도, 중간영역의 두께는 프리멜팅 층에서 볼 수 있는 것보다 훨씬 더 넓은 50개의 격자 상수에 도달할 수 있었다. 또한, 중간영역이 최종 결정에서 결함의 수를 줄이는 것으로 보였고, 이는 결함 없는 합성을 위한 경로를 제시하는 놀라운 결과이자 잠재적으로 유용한 발견이었다.