양자파동 전자 스피논 유령 입자 분해 최초 포착

양자 스핀 액체 자기 상태 전자 입자 선명한 사진

과학자들은 양자 스핀 액체(QSL)라고 불리는 신비한 자기 상태를 구성하는 전자 입자의 가장 선명한 사진을 찍었다.

이는 초고속 양자 컴퓨터와 에너지 효율적인 초전도체의 개발을 촉진할 수 있다.

과학자들은 QSL 전자가 어떻게 스피논(spinons)이라고 하는 스핀 유사한 입자와 차르곤(chargons)이라고 하는 전하와 같은 입자로 분해되는지에 대한 이미지를 처음으로 포착했다.

연구 리더인 미국 로렌스 버클리 국립 연구소(Berkeley Lab) 선임 과학자 겸 물리학 교수인 마이크 크로미(Mike Crommie)는 “다른 연구에서는 이 현상의 다양한 발자국을 보았지만 우리는 스피논이 살고 있는 상태의 실제 그림을 가지고 있다. 이것은 새로운 것”라고 말했다.

공동 저자인 Berkeley Lab Advanced Light Source(ALS) 스텝 과학자 모성관 교수는 “스피논은 유령 입자와 같다. 양자 물리학의 빅 풋(Big Foot)과 같다. 사람들은 그것을 보았다고 말하지만 그것이 존재한다는 것을 증명하기는 어렵다. 우리는 지금까지 최고의 증거 중 일부를 얻었다”고 설명했다.

QSL에서 spinons은 열과 스핀을 운반하면서 자유롭게 움직이지만 전하를 띠지는 않는다. 그것들을 감지하기 위해 대부분의 연구자들은 열 신호를 찾는 기술에 의존했다.

Nature Physics 저널에 19일(현지시각) 실린 연구논문은 물질 분포를 직접 이미지화해 QSL에서 spinons을 특성화하는 방법을 보여주었다.

ALS의 Mo 연구그룹은 단 3개의 원자 두께인 탄탈륨 이셀렌화물(1T-TaSe2)의 단일층 샘플을 성장시켰다. 이 물질은 전이 금속 디칼코게나이드(TMDC)라고 하는 물질 종류의 일부다. 연구원들은 구성 요소로부터 원자적으로 얇은 TMDC 결정을 합성하는 기술인 분자 빔 에피택시(molecular beam epitaxy)의 전문가다.

그런 다음 Mo의 팀은 ALS에서 생성된 X선을 사용하는 기술인 각도 분해 광전자 방출 분광법을 통해 박막을 특성화했다.

공동 제1저자인 당시 박사후 연구원인 Wei Ruan과 당시 UC Berkeley 대학원생인 Yi Chen을 포함한 Crommie 연구소의 연구원들은 주사 터널링 현미경(STM)이라는 현미경 기술을 사용하여 금속 바늘로 전자를 탄탈륨 디셀레나이드 TMDC 샘플에 주입했다.

특정 에너지에서 입자가 어떻게 배열되는지 측정하는 이미징 기술인 주사 터널링 분광법(STS)으로 수집된 이미지는 전혀 예상치 못한 것을 드러냈다.

Crommie는 “우리가 본 긴 파장은 알려진 결정의 거동과 일치하지 않는다. 우리는 오랫동안 머리를 긁적였다. 결정에서 이러한 장파장 변조를 일으키는 원인은 무엇인까? 우리는 기존의 설명을 하나씩 배제했다. 이것이 스피논 유령 입자의 사인이라는 것을 거의 알지 못했다”고 말했다.

MIT의 이론적 협력자의 도움으로 연구원들은 전자가 STM의 끝에서 QSL로 주입될 때 QSL 내부의 두 개의 서로 다른 입자인 spinons(고스트 입자라고도 함)과 chargons으로 분해된다는 것을 깨달았다. 이것은 QSL에서 스핀과 전하가 집합적으로 상호 작용하는 독특한 방식 때문이다. 스피논 고스트 입자는 결국 개별적으로 스핀을 운반하는 반면 chargons은 개별적으로 전하를 운반한다.

현재 연구에서 STM/STS 이미지는 Chargon이 제자리에서 동결돼 과학자들이 David-of-David 전하 밀도 파동이라고 부르는 것을 형성함을 보여준다. 한편, 스피논은 고정된 chargons과 분리되어 물질을 통해 자유롭게 움직일 때 “유체이탈 경험(out-of-body experience)”을 겪는다고 Crommie는 말했다.

그는 “이것은 기존의 물질에서 전자가 이동할 때 하나의 입자로 결합된 스핀과 전하를 모두 운반하기 때문에 드문 일”이라고 설명했다.

Crommie는 QSL이 언젠가는 양자 컴퓨팅에 사용되는 강력한 양자 비트(큐비트)의 기초를 형성할 수 있다고 덧붙였다. 기존 컴퓨팅에서 비트는 정보를 0 또는 1로 인코딩하지만 큐비트는 0과 1을 동시에 보유할 수 있으므로 잠재적으로 특정 유형의 계산 속도를 높일 수 있다. QSL에서 spinons과 Chargon이 어떻게 작동하는지 이해하면 이 차세대 컴퓨팅 분야의 연구를 발전시키는 데 도움이 될 수 있다.