쾰른 대학의 물리학자 팀은 응집 물질 물리학의 오랜 수수께끼를 풀었습니다. 그들은 인공 원자에서 눈에 보이는 콘도 효과(자성 불순물로 인해 금속에 전자가 재클러스터링되는 현상)를 직접 관찰했습니다. 대부분의 측정 기술은 종종 원자의 자기 궤도를 직접 관찰하지 않기 때문에 이는 과거에는 성공하지 못했습니다.
그러나 쾰른대학교 실험물리연구소의 바우터 졸리(Wouter Jolie) 박사가 이끄는 국제 연구팀은 그래핀 금속 시트 위에 떠 있는 1차원 와이어 내의 인공 트랙에서 콘도 효과를 관찰하는 새로운 기술을 사용했습니다. 그들은 최근 Nature Physics에 발표된 논문에서 자신들의 발견을 보고했습니다.
금속에서 움직이는 전자가 자성 원자를 만나면 원자 스핀의 영향을 받게 됩니다. 원자 스핀은 기본 입자의 자극입니다. 원자 스핀의 영향을 막기 위해 전자 바다가 원자 가까이에 모여 새로운 다체 상태를 형성하는데, 이를 콘도 공명이라고 합니다. 금속과 자성 원자의 상호 작용을 설명하는 데 자주 사용됩니다. 그러나 다른 유형의 상호 작용은 매우 유사한 실험 특징으로 이어져 표면의 개별 자성 원자에 대한 Kondo 효과의 역할에 대한 의문을 제기합니다.
물리학자들은 새로운 실험 방법을 사용하여 1차원 와이어가 콘도 효과(Kondo effect)의 영향을 받는다는 것을 보여주었습니다. 와이어의 전자는 확장된 원자 궤도로 생각할 수 있는 정재파를 형성합니다. 이 인공 궤도, 전자 바다와의 결합, 궤도와 전자 바다 사이의 공진 전환은 모두 주사 터널링 현미경으로 이미지화할 수 있습니다. 이 실험 기술은 날카로운 금속 바늘을 사용하여 원자 분해능으로 전자를 측정합니다. 이를 통해 연구팀은 비교할 수 없는 정밀도로 콘도 효과를 측정할 수 있었습니다.
실험을 진행한 박사과정 학생 카미엘 반 에페렌(Camiel van Efferen)은 “표면에 있는 자성 원자의 경우 마치 이야기와 같습니다. 코끼리를 본 적이 없는 사람이 어두운 방에서 코끼리를 한 번 만져보며 그 모양을 상상하려고 합니다. 코만 만지면 상상하는 동물이 옆면과 완전히 달라집니다.”라고 말했습니다. "오랫동안 콘도 공명만 측정되었습니다. 그러나 코끼리의 몸통이 뱀의 몸통일 수 있는 것처럼 이러한 측정에서 관찰된 신호는 다른 설명을 가질 수 있습니다."
실험 물리학 연구소의 연구 그룹은 그래핀 및 단일 층 이황화 몰리브덴(MoS2)과 같은 2차원 물질(단 몇 개의 원자 층으로 구성된 결정질 고체)의 성장 및 탐색을 전문으로 합니다. 그들은 두 개의 MoS2 결정(그 중 하나가 다른 하나의 거울상임)의 경계면에서 금속 원자의 필라멘트가 형성된다는 것을 발견했습니다.
주사형 터널링 현미경을 사용해 콘도 효과가 발생하는 온도인 -272.75℃(0.4켈빈)라는 놀랍도록 낮은 온도에서 자기 상태와 콘도 공명을 동시에 측정할 수 있었습니다.
이론과 실험 데이터의 상관관계
"우리의 측정 결과는 우리가 Kondo 효과를 관찰하고 있다는 점에 의심의 여지가 없지만 우리의 비전통적인 접근 방식이 이론적 예측과 어떻게 비교되는지 아직 알 수 없습니다."라고 Jolly는 덧붙입니다. 이를 위해 연구팀은 곤도 물리학 분야에서 세계적으로 유명한 전문가인 쾰른 대학의 아킴 로슈(Achim Rosch) 교수와 율리히 연구소(Jülich Research Center)의 테오 코스티(Theo Costi) 박사라는 두 명의 이론 물리학자의 도움을 받았습니다.
Jülich 슈퍼컴퓨터의 실험 데이터를 분석한 결과, 자기장선의 인공 궤도 모양을 기반으로 콘도 공명이 정확하게 예측될 수 있음이 밝혀졌으며, 이를 통해 응집 물질 물리학의 창시자 중 한 명인 필립 W. 앤더슨(Philip W. Anderson)이 수십 년 전에 예측한 내용이 입증되었습니다.
과학자들은 이제 자기장선을 사용하여 훨씬 더 이국적인 현상을 연구할 계획입니다. Kamil van Efren은 "초전도체 또는 양자 스핀 액체 위에 1차원 와이어를 배치함으로써 전자가 아닌 준입자에 의해 생성된 다체 상태를 생성할 수 있습니다. 이제 이러한 상호 작용으로 인해 발생하는 물질의 매혹적인 상태를 명확하게 볼 수 있으며 이를 통해 완전히 새로운 차원에서 이해할 수 있게 될 것"이라고 Kamil van Efren은 설명합니다.