새로운 양자 자석으로 전자 잠재력 발휘

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컴퓨터, 의료 장비, 스테레오, 발전기 등과 같은 가장 중요한 일상 품목 중 일부는 자석으로 인해 작동합니다. 우리는 컴퓨터가 더욱 강력해지면 어떤 일이 일어나는지 알고 있습니다. 하지만 자석이 더욱 다양해지면 어떤 일이 가능할까요? 유용성을 정의하는 물리적 속성을 변경할 수 있다면 어떨까요? 그것이 어떤 혁신을 촉진할 수 있을까요?

이는 MIT PSFC(플라즈마 과학 및 융합 센터) 연구 과학자 Hang Chi, Yunbo Ou, Jagadeesh Moodera 및 공동 저자가 새로운 개방형 Nature Communications 논문 "Strain-tunable Berry curvature in quasi-two"에서 탐구하는 질문입니다. ―차원 크롬 텔루라이드.”

저자의 발견의 규모를 이해하려면 잠시 과거로의 여행이 필요합니다. 1879년 23세의 대학원생 Edwin Hall은 자석을 전류가 흐르는 금속 스트립에 직각으로 놓았을 때 발견했습니다. 이를 통해 스트립의 한쪽이 다른 쪽보다 더 큰 전하를 갖게 됩니다. 자기장은 전류의 전자를 금속 가장자리 쪽으로 편향시켰는데, 이 현상은 그를 기리기 위해 홀 효과라고 명명되었습니다.

Hall의 시대에는 고전적인 물리학 시스템이 유일한 종류였으며 중력 및 자기와 같은 힘은 예측 가능하고 불변적인 방식으로 물질에 작용했습니다. 금속과 자석으로 인해 홀 효과가 발생하여 완전히 정지되었습니다. 하지만 실제로는 그렇지 않았습니다. 이제 우리는 양자 역학도 중요한 역할을 한다는 것을 알고 있습니다.

고전물리학을 애리조나의 지도로 생각하고, 양자역학을 사막을 통과하는 자동차 여행으로 생각해보세요. 지도는 해당 지역에 대한 거시적 보기와 일반화된 정보를 제공하지만 길을 가로질러 달리는 아르마딜로와 같이 운전자가 직면할 수 있는 모든 무작위 사건에 대비할 수는 없습니다. 운전자가 여행하는 것과 같은 양자 공간은 다른 지역 교통 규칙 세트에 의해 관리됩니다. 따라서 고전 시스템에서는 적용된 자기장에 의해 홀 효과가 유도되는 반면, 양자의 경우 외부 필드 없이도 홀 효과가 발생할 수 있으며, 이 시점에서 비정상적인 홀 효과가 됩니다.

양자 영역을 여행할 때 영국 물리학자 마이클 베리의 이름을 딴 소위 '베리 단계'에 대한 지식을 갖추게 됩니다. 이는 자동차의 GPS 로거 역할을 합니다. 마치 운전자가 처음부터 끝까지 전체 여행을 기록한 것과 같으며, GPS 기록을 분석하여 공간의 기복 또는 "곡률"을 더 잘 플롯할 수 있습니다. 양자 환경의 이러한 "베리 곡률"은 자연스럽게 전자를 한쪽으로 이동시켜 마치 언덕과 계곡이 자동차의 경로를 결정하는 것처럼 자기장 없이 홀 효과를 유도할 수 있습니다.

많은 사람들이 자성 물질에서 변칙적인 홀 효과를 관찰했지만, 논문의 저자가 특이한 자석에서 변칙적인 홀 효과와 베리 곡률의 변화를 입증하는 방법을 개발하기 전까지는 누구도 그것을 쥐어짜거나 늘려서 조작할 수 없었습니다.

먼저, 그들은 결정인 산화알루미늄이나 티탄산스트론튬으로 만든 0.5mm 두께의 베이스를 가져와 그 베이스 위에 자성 화합물인 텔루르화 크롬의 믿을 수 없을 만큼 얇은 층을 성장시켰습니다. 이러한 재료 자체로는 별로 효과가 없습니다. 그러나 결합되면 필름의 자성과 성장된 베이스와 생성된 인터페이스로 인해 레이어가 늘어나거나 눌려집니다.

이러한 물질이 어떻게 함께 작동하는지에 대한 이해를 심화하기 위해 연구원들은 ORNL(Oak Ridge National Laboratory)의 Spallation Neutron Source와 협력하여 중성자 산란 실험을 수행했습니다. 기본적으로 입자를 발사하여 물질을 폭발시키고 무엇이 되돌아오는지 연구합니다. 필름의 화학적, 자기적 특성에 대해 자세히 알아보세요. 중성자는 자성이지만 전하가 없기 때문에 연구에 이상적인 도구였습니다. 중성자 실험을 통해 연구원들은 물질을 더 깊이 조사할 때 화학 원소와 자기 행동이 다양한 수준에서 어떻게 변하는지를 보여주는 프로필을 구축할 수 있었습니다.