코넬 대학의 연구원들은 자기 이미징을 사용하여 특수한 유형의 절연체에서 전자가 어떻게 흐르는지 처음으로 직접 관찰했습니다. 이를 통해 과학자들이 오랫동안 가정해 왔던 것처럼 전송 전류가 재료의 가장자리 주변이 아닌 재료 내부를 통해 흐르는 것을 발견할 수 있었습니다.
이 발견은 양자 변칙 홀 절연체의 전자 역학을 밝히고 보다 일반적인 양자 홀 절연체에서 전류가 어떻게 흐르는지에 대한 수십 년 간의 논쟁을 해결하는 데 도움이 됩니다. 이러한 통찰력은 차세대 양자소자를 위한 토폴로지 재료 개발에 도움이 될 것입니다.
연구팀의 논문은 최근 Nature Materials 저널에 게재되었습니다. 논문의 첫 번째 저자는 Ph.D.인 Matt Ferguson입니다. 22년 동안 활동했으며 현재 독일 막스플랑크 고체화학물리연구소에서 박사후 연구원으로 재직 중이다.
양자 홀 효과
예술과학대학 물리학과 조교수이자 논문의 수석 저자인 Katja Nowack이 주도한 이 프로젝트는 양자 홀 효과로 알려진 것에서 시작되었습니다. 1980년에 처음 발견된 양자 홀 효과는 특정 물질에 자기장이 작용할 때 특이한 현상을 일으킵니다. 벌크 샘플의 내부는 절연체가 되고, 전류는 외부 가장자리를 따라 한 방향으로 이동합니다. 저항은 기본 보편적 상수로 정의된 값으로 양자화되거나 제한되며 0으로 떨어집니다.
2013년에 처음 발견된 양자 변칙 홀 절연체는 자화 물질을 사용하여 동일한 효과를 얻습니다. 양자화는 여전히 발생하고 종방향 저항은 사라지며 초전도체처럼 에너지를 소모하지 않고 가장자리를 따라 전자가 가속됩니다.
대중적인 통념을 깨다
"가장자리를 따라 흐르는 전류의 그림은 양자화가 어떻게 발생하는지에 대한 좋은 설명입니다. 그러나 이것이 양자화를 설명할 수 있는 유일한 그림은 아닌 것으로 밝혀졌습니다."라고 Novak은 말했습니다. "이 에지 그림은 금세기 초 토폴로지 절연체가 눈에 띄게 증가한 이후 지배적이었습니다. 국지적 전압과 국부 전류의 복잡성은 대부분 잊혀졌습니다. 실제로 이러한 상황은 에지 그림이 제시하는 것보다 훨씬 더 복잡할 수 있습니다."
현재 양자 변칙 홀 절연체로 알려진 물질은 소수에 불과합니다. 새로운 연구에서 Nowak 팀은 10년 전에 양자 변칙 홀 효과를 갖는 것으로 처음 관찰된 것과 동일한 화합물인 크롬 도핑된 비스무트 안티몬 텔루라이드에 중점을 두었습니다.
샘플은 Penn State 물리학 교수인 Nitin Samart가 이끄는 협력자들에 의해 성장되었습니다. 물질을 스캔하기 위해 Nowak과 Ferguson은 극저온에서 작동하고 엄청나게 작은 자기장을 감지할 수 있는 매우 민감한 자기장 센서인 실험실의 초전도 양자 간섭 장치(SQUID)를 사용했습니다. SQUID는 전류 흐름(자기장을 담당하는)을 효과적으로 이미지화한 다음 이러한 이미지를 결합하여 전류 밀도를 재구성합니다.
"우리가 연구하고 있던 전류는 매우 작기 때문에 측정하기가 어려웠습니다"라고 Novak은 말했습니다. "우리는 1켈빈 미만의 온도에서 샘플을 효과적으로 정량화해야 했습니다. 그렇게 한 것이 자랑스럽습니다."
발견과 미래 영향
연구자들은 전자가 가장자리가 아닌 물질의 대부분으로 흐른다는 것을 발견했을 때 이전 발견을 조사하기 시작했습니다. 그들은 1980년에 양자 홀 효과가 처음 발견된 이후 몇 년 동안 전자 흐름이 어디서 발생했는지에 대한 많은 논쟁이 있었다는 사실을 발견했는데, 이는 대부분의 젊은 재료 과학자들이 인식하지 못한 논쟁이었습니다.
"나는 토폴로지 재료를 연구하는 새로운 세대가 이 연구에 주목하고 논쟁을 재개하기를 바랍니다. 우리가 토폴로지 재료에서 일어나는 일의 매우 근본적인 측면조차 이해하지 못하고 있다는 것은 분명합니다."라고 그녀는 말했습니다. "전기가 어떻게 흐르는지 이해하지 못한다면, 우리가 이러한 물질에 대해 실제로 무엇을 알고 있습니까?
이러한 질문에 답하는 것은 더 이국적인 물질 상태를 생성하기 위해 초전도체와 양자 변칙 홀 절연체를 결합하는 하이브리드 기술과 같은 더 복잡한 장치를 만드는 것과도 관련이 있을 수 있습니다.
"나는 우리가 관찰한 현상이 다른 재료 시스템에 적용되는지 알고 싶습니다. 어쩌면 일부 재료에서는 전류가 다르게 흐를 수도 있습니다"라고 Novak은 말했습니다. "저에게 이것은 위상학적 물질의 매력을 강조합니다. 전기적 측정에서의 물질의 거동은 미세한 세부 사항과 관계없이 매우 일반적인 원리에 의해 결정됩니다. 그러나 미세한 규모에서 일어나는 일을 이해하는 것은 우리의 근본적인 이해와 응용 모두에 매우 중요합니다. 이러한 일반 원리와 뉘앙스의 상호 작용은 위상학적 물질에 대한 연구를 그토록 매력적이고 매력적으로 만드는 것입니다."