MIT 연구원들은 토폴로지가 재료가 더 높은 온도에서 자성을 생성하는 데 어떻게 도움이 되는지 보여줍니다. 수년 동안 연구자들은 특정 반금속의 전자 배열, 토폴로지 및 자성을 이해하기 위해 노력해 왔지만 실망스럽게도 이러한 물질은 절대 영도보다 몇 도까지 냉각될 때만 자성을 나타냅니다.
MIT 원자력 과학 및 공학과 부교수 Mingda Li가 주도하고 MIT 양자 측정 그룹의 대학원 조교수이자 하버드 대학교 응용 물리학 박사 과정 학생인 Nathan Drucker와 MIT 양자 측정 그룹의 대학원생인 Thanh Nguyen 및 Phum Siriviboon이 공동 저술한 새로운 연구는 이러한 전통적인 견해에 도전하고 있습니다.
Nature Communications 저널에 발표된 이 연구는 토폴로지가 자기 전이 온도(자기가 일반적으로 분해되는 지점) 이상에서도 자기 순서를 안정화할 수 있음을 최초로 입증한 것입니다.
"이것이 왜 작동하는지 설명하기 위해 내가 사용하고 싶은 비유는 통나무로 가득 찬 강을 상상하는 것이며, 통나무는 재료의 자기 모멘트를 나타냅니다."라고 논문의 주요 저자인 Drucker는 말했습니다. "자기가 작동하려면 모든 통나무가 같은 방향을 향하거나 통나무 사이에 어떤 패턴이 있어야 합니다. 하지만 강물의 통나무처럼 자기 모멘트가 모두 다른 방향을 가리키는 고온에서는 자성이 분해됩니다."
그는 계속해서 다음과 같이 말했습니다. "그러나 이 연구에서 중요한 것은 실제로 변화하는 것은 물이라는 것입니다. 우리가 보여준 것은 통나무의 특성이 아닌 물 자체의 특성을 변경하면 통나무 사이의 상호 작용을 변경하여 자성을 생성할 수 있다는 것입니다."
자성을 향상시키는 토폴로지의 역할
본질적으로 이 논문은 세륨, 알루미늄, 게르마늄으로 구성된 이국적인 반금속인 CeAlGe에서 발견된 Weyl 노드로 알려진 토폴로지가 어떻게 자기 장치의 작동 온도를 크게 높여 광범위한 응용 분야에 대한 문을 열 수 있는지를 보여줍니다.
토폴로지 재료는 센서, 자이로스코프 등을 만드는 데 사용되었지만 마이크로 전자공학, 열전 및 촉매 장치와 같은 분야에서도 널리 사용됩니다. Nguyen은 이번 연구가 더 높은 온도에서 자성을 유지하는 방법을 보여줌으로써 더 많은 가능성의 문을 열어준다고 말했습니다. 이 자료와 다른 토폴로지 자료에서 많은 기회가 입증되었습니다. 이는 이러한 재료의 작동 온도를 크게 높일 수 있는 일반적인 접근 방식을 보여줍니다.
Caltech의 물리학, 수학 및 천문학 부문의 물리학 조교수인 Linda Ye는 이 "다소 놀랍고 반직관적인" 결과가 위상학적 물질에 대한 향후 연구에 중요한 영향을 미칠 것이라고 덧붙였습니다.
연구 결과에 따르면 전자 위상 노드는 정자기 질서를 안정화하는 역할을 할 뿐만 아니라 일반적으로 자기 변동 생성에도 역할을 할 수 있습니다. 이것으로부터 도출되는 자연스러운 결론은 토폴로지 Well 상태가 재료에 미치는 영향이 이전에 생각했던 것보다 훨씬 클 수 있다는 것입니다.
프린스턴 대학의 물리학 교수인 Andre Bonnevig는 이 발견에 동의하며 "당황스럽고 매우 놀랍습니다. Weyls 노드가 위상적으로 보호되는 것으로 알려져 있지만 위상의 열역학적 특성에 대한 이러한 보호의 영향은 완전히 명확하지 않습니다. MIT 팀의 논문은 정렬 온도 이상의 단거리 정렬이 시스템에 나타나는 Weyl 페르미온 사이의 중첩된 파동 벡터에 의해 지배된다는 것을 보여줍니다... 이는 Weyls 노드의 보호가 어느 정도 자기 변동에 영향을 미친다는 것을 나타낼 수 있습니다!"
자기의 신비를 풀다
이러한 놀라운 결과는 자성과 토폴로지에 대한 오랜 이해에 도전하지만, 이는 간과되었을 수 있는 영역을 탐색하려는 주의 깊은 실험과 연구팀의 의지의 결과입니다.
"우리의 가설은 자기 전이 온도 이상으로 새로운 발견이 없다는 것입니다"라고 Li는 설명합니다. "우리는 이 포괄적인 이야기를 만들고 일관된 방식으로 퍼즐을 맞추기 위해 다섯 가지 실험 방법을 사용했습니다."
더 높은 온도에서 자성의 존재를 입증하기 위해 연구진은 먼저 세륨, 알루미늄, 게르마늄을 용광로에서 결합하여 밀리미터 크기의 물질 결정을 형성했습니다. 그런 다음 샘플은 열 및 전기 전도도 테스트를 포함한 일련의 테스트를 거쳤으며 각 테스트에서 재료의 비정상적인 자기 거동에 대한 단서를 찾았습니다.
그러나 우리는 이 물질을 테스트하기 위해 좀 더 이국적인 방법도 사용했다고 Drucker는 말했습니다. "우리는 물질의 세륨과 동일한 에너지 수준의 X선 빔을 물질에 조사한 후 빔이 어떻게 산란되는지 측정했습니다. 이러한 테스트는 에너지부 국립 연구소의 대규모 시설에서 수행되어야 했습니다. 궁극적으로 우리는 여기에 숨겨진 질서가 있다는 것을 증명하기 위해 세 개의 다른 국립 연구소에서 유사한 실험을 수행해야 했고 이것이 가장 강력한 증거를 찾은 방법입니다."
Nguyen은 "도전의 일부는 위상학적 물질에 대해 이러한 종류의 실험을 수행하는 것이 매우 어렵고 종종 간접적인 증거만 제공할 수 있다는 것입니다."라고 말했습니다. "이 경우 수행하는 작업은 서로 다른 프로브를 사용하여 여러 실험을 수행하는 것이며, 이를 종합하면 매우 포괄적인 이야기를 제공합니다. 이 경우에는 5~6개의 서로 다른 단서가 있었고 이 연구에서 모두 역할을 한 수많은 장비와 측정이 있었습니다."
영향 및 향후 방향
앞으로 연구팀은 토폴로지와 자성 사이의 관계가 다른 재료에서도 입증될 수 있는지 탐구할 계획이다. 그들은 이 원칙이 보편적이라고 믿습니다. 따라서 이는 다른 많은 자료에도 존재할 수 있으며 이는 토폴로지의 역할에 대한 이해를 넓혀 줍니다. 우리는 이것이 전기 전도도를 높이는 역할을 할 수 있다는 것을 알고 있었고 이제는 자성에서도 역할을 할 수 있다는 것을 보여주었습니다.
다른 향후 연구에서는 열을 전기로 변환할 수 있는 열전 장치에서의 사용을 포함하여 위상학적 재료의 가능한 응용 분야도 다룰 것입니다. 이러한 장치는 이미 시계와 같은 소형 장치에 전원을 공급하는 데 사용되지만 휴대폰이나 기타 대형 장치에 전원을 공급할 만큼 효율적이지는 않습니다.
"우리는 많은 우수한 열전 재료를 연구했으며 그것들은 모두 위상학적 재료입니다"라고 Li는 말했습니다. "자기를 사용하여 이러한 성능을 보여줄 수 있다면... 아주 좋은 열전 특성을 방출할 것입니다. 예를 들어, 이는 더 높은 온도에서 작동하는 데 도움이 될 것입니다. 현재 많은 태양 전지는 폐열을 수집하기 위해 매우 낮은 온도에서만 작동할 수 있습니다. 이로 인해 매우 자연스러운 결과는 더 높은 온도에서 작동할 수 있다는 것입니다."
이 연구는 위상학적 반금속 재료가 수년 동안 연구되었지만 그 특성에 대해 상대적으로 알려진 바가 거의 없음을 결론적으로 보여줍니다.
Drucker는 “우리 연구는 이러한 다양한 규모를 관찰하고 이러한 재료 중 일부를 연구하기 위해 다양한 실험을 사용할 때 실제로 매우 중요한 열전, 전기 및 자기 특성이 나타나기 시작한다는 사실을 강조한다고 생각합니다.”라고 Drucker는 말했습니다. "따라서 저는 이것이 이러한 것들을 다양한 응용 분야에 어떻게 사용할 수 있는지에 대한 후속 조치를 제공할 뿐만 아니라 이러한 열 변동의 영향을 더 잘 이해할 수 있는 방법에 대한 기타 근본적인 연구를 제공한다고 생각합니다."