컬럼비아대학교 연구진이 최초로 2차원 무거운 페르미온 물질을 합성하는데 성공했습니다. 이들은 오늘(17일) 과학저널 네이처(Nature)에 게재된 연구 논문에서 세륨, 실리콘, 요오드(CeSiI)로 구성된 층상 금속간 결정체인 신소재를 소개했다.
중페르미온 화합물은 전자가 평소보다 최대 1,000배 더 무거운 물질 종류입니다. 이러한 물질에서 전자는 자기 스핀과 얽혀 속도가 느려지고 유효 질량이 증가합니다. 이 상호작용은 저항이 0인 전류의 이동인 초전도성을 비롯한 많은 신비한 양자 현상에서 중요한 역할을 하는 것으로 생각됩니다.
연구자들은 수십 년 동안 무거운 페르미온을 연구해 왔지만 부피가 큰 3차원 결정 형태에 불과했습니다. 컬럼비아 대학교 화학자 자비에 로이(Xavier Roy) 연구실의 박사과정 학생인 빅토리아 포시(Victoria Posey)가 합성한 새로운 물질을 통해 연구자들은 한 차원을 낮출 수 있게 될 것입니다.
Posey는 "우리는 기초 물리학을 탐구하고 고유한 양자 위상을 감지하기 위한 새로운 기반을 마련했습니다."라고 말했습니다.
Roy 연구실의 최신 재료 중 하나인 CeSiI는 몇 개의 원자 두께의 층으로 박리될 수 있는 반 데르 발스 결정입니다. 이는 2차원 결정의 잠재적 양자 특성을 갖는 것 외에도 벌크 결정보다 다른 물질을 조작하고 결합하는 것을 더 쉽게 만듭니다. "포지와 로이의 연구실이 그렇게 작고 얇은 중페르미온을 만들 수 있다는 것은 놀라운 일입니다."라고 컬럼비아 대학과 브룩헤이븐 국립 연구소의 물리학자이자 수석 저자인 Abhay Pasupathy가 말했습니다. "최근 양자점에 노벨상이 수여된 사례처럼 크기를 줄이면 많은 흥미로운 일을 할 수 있습니다."
CeSiI: 새로운 양자 개척지
중간 실리콘 웨이퍼가 자성 세륨 원자 사이에 끼워져 있기 때문에 Posey와 그녀의 동료들은 1998년 논문에서 처음 기술된 CeSiI가 몇 가지 흥미로운 전자 특성을 가질 수 있다고 의심했습니다. 포지가 공기에 극도로 민감한 전송용 결정을 준비하는 방법을 알아낸 후 첫 번째로 들른 곳은 컬럼비아 대학의 아헤이 파수파티 물리학 연구소(Abhay Pasupathy Physics Laboratory)의 주사 터널링 현미경(STM)이었습니다. STM을 통해 그들은 무거운 페르미온의 특징적인 스펙트럼 형태를 관찰했습니다. 그런 다음 Posey는 CeSiI와 유사한 비자성 물질을 합성하고 열용량을 기준으로 두 물질의 전자 무게를 측정했습니다. CeSiI의 전자는 더 무겁습니다. "자기 스핀이 있는 물질과 자기 스핀이 없는 물질의 두 가지 물질을 비교함으로써 우리는 무거운 페르미온을 생성했음을 확인할 수 있었습니다"라고 Posey는 말했습니다.
이후 샘플은 광학 방출 분광법을 위한 Brookhaven 국립 연구소의 Pasupati 연구소를 포함하여 캠퍼스와 전국에서 추가 분석을 거쳤습니다. 전자 수송 측정을 위해 Harvard University의 Philip King Laboratory에; 자기 특성을 연구하기 위해 플로리다에 있는 국립 고자기장 연구소에 왔습니다. 그 과정에서 컬럼비아 대학교 이론가 Andrew Millis와 Max Planck의 Angel Rubio가 팀의 관찰을 설명하는 데 도움을 주었습니다.
향후 연구 및 재료 조작
이제부터 컬럼비아 대학교 연구자들은 2차원 물질을 사용하여 가장 잘하는 일을 할 것입니다. 즉, 물질을 쌓고, 변형시키고, 뽑고, 찔러서 어떤 독특한 양자 행동이 유도될 수 있는지 확인하는 것입니다. Pasupathy는 재료 라이브러리에 CeSiI를 추가하여 재료가 하나의 고유한 단계에서 다른 단계로 전환되는 지점인 양자 임계점을 검색할 계획입니다. 교차점에서는 초전도성과 같은 흥미로운 현상이 발생할 수 있습니다.
"2차원 한계에서 CeSiI를 조작하면 양자 임계성을 달성할 수 있는 새로운 방법을 탐색할 수 있으며, 이는 새로운 재료의 설계를 안내할 수 있습니다."라고 공동 교신저자이자 Roy 그룹의 박사후 연구원인 Michael Ziebel이 말했습니다.
필요한 무공기 합성 기술을 완성한 포시는 화학과로 돌아가서 결정의 원자를 체계적으로 대체했습니다. 예를 들어 실리콘을 알루미늄이나 갈륨과 같은 다른 금속으로 교체하여 연구할 고유한 특성을 가진 관련 중페르미온을 생성했습니다. "우리는 처음에 CeSiI가 일회성이라고 생각했습니다"라고 Roy는 말했습니다. "하지만 이 프로젝트는 내 연구 그룹에서 새로운 화학으로 발전했습니다."
컴파일된 소스: ScitechDaily