미국 연구진, 기발한 물질에서 새로운 양자 상태 발견

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미국의 여러 연구소에서 일하는 물리학자들의 협력으로 마그네슘, 실리콘, 텔루르로 만들어진 합금에서 새로운 양자 상태를 발견했다고 보도 자료가 밝혔습니다. 이 발견은 건물 센서 및 통신 시스템과 같은 양자 컴퓨팅에 응용될 수 있습니다.

합금은 Mn3Si2Te6로 표시되는 결정 구조이며 위에서 볼 때 벌집 모양 배열로 배치된 팔각형 셀로 구성됩니다. 하지만 옆에서 보면 시트가 겹겹이 쌓인 형태입니다.

전자는 구조 내부에서 자유롭게 이동할 수 있습니다. 그러나 흐름의 무작위성으로 인해 전자의 이동은 교통 체증에 빠진 차량의 이동과 매우 유사하여 재료에 절연체의 특성을 부여합니다.

연구자들은 이전에 알아차린 특성 때문에 합금 연구에 관심이 있었습니다. 자기저항이라고 불리는 이 물질은 자기장이 있는 곳에 놓였을 때 향상된 전도성을 나타냈습니다.

이러한 자연의 변화는 대부분의 재료에서는 나타나지 않지만 일부 재료에서는 이전에 관찰되었습니다. 이 합금의 경우 자기 저항은 자기장이 있을 때 절연체처럼 행동하는 것을 멈추고 대신 도선처럼 행동하기 때문에 거대하다고 불립니다.

연구진은 또한 자기장이 벌집형 표면에 수직으로 적용될 때만 거대한 자기 저항이 발생한다는 것을 발견했습니다. 이는 다른 재료에서 볼 수 있는 자기저항에 대해서는 사실이 아니지만, 연구원들은 이 합금이 왜 그렇게 거동하는지 설명하기 위한 새로운 모델이 필요했습니다.

Bartlomiej Wroblewski/ iStock

Georgia Tech의 이론물리학자들은 자기 망간 이온 사이의 전류 흐름이 대칭으로 인해 금지된다는 사실을 발견한 새로운 수학적 모델을 개발했습니다. 그러나 팔면체로 배열된 텔루르 이온은 자기장이 특정 방식으로 적용될 때 전류를 전달할 수 있습니다.

흥미롭게도 연구진은 전류가 가해질 때에도 물질이 절연체와 전도체 사이를 전환할 수 있다는 사실도 발견했습니다. 그러나 이러한 전환은 즉각적이지 않았으며 발생하는 데 몇 초에서 몇 분 정도 걸릴 수 있습니다.

더 느린 스위치는 연구원들이 현재 제어되는 양자 장치에서 새로운 응용 프로그램을 개발하기 위해 활용하는 데 관심이 있는 것입니다. 이 장치는 컴퓨팅에서 감지 및 통신에 이르기까지 다양한 목적으로 사용될 수 있습니다.

그 전에 연구자들은 새로 발견된 양자 상태에 대해 더 많이 이해하는 동시에 이러한 특성을 나타내는 다른 재료를 결정해야 합니다.

이번 연구 결과는 네이처 저널에 게재됐다.

연구 개요:

거대 자기저항(CMR)은 자기장이 있을 때 전기 전도도가 크게 향상되는 현상입니다. 이는 전통적으로 스핀 산란과 전기 저항을 대폭 감소시키는 전계 유도 스핀 분극과 관련되어 있습니다. 페리자성 Mn3Si2Te6은 이 규칙에 대한 흥미로운 예외입니다. 이는 자기 분극을 피할 때만 발생하는 ab 평면 저항률의 7배 감소를 나타냅니다1,2. 여기서 우리는 MnTe6 팔면체의 가장자리를 따라 흐르는 ab 평면 키랄 궤도 전류(COC)에 의해 구동되는 이국적인 양자 상태를 보고합니다. ab 평면 COC의 c 축 궤도 모멘트는 페리자성 Mn 스핀과 결합하여 외부 자기장이 자기 하드 c 축을 따라 정렬될 때 ab 평면 전도성(CMR)을 대폭 증가시킵니다. 결과적으로 COC 구동 CMR은 임계 임계값을 초과하는 작은 직류에 매우 민감하며 COC 상태의 특징인 1차 '용해 전이'를 모방하는 시간 종속 쌍안정 스위칭을 유도할 수 있습니다. COC 지원 CMR의 입증된 전류 제어는 양자 기술에 대한 새로운 패러다임을 제공합니다.