일반 통계 역학을 무시하는 2차원의 새로운 물질상 발견

케임브리지의 캐번디시 연구소의 물리학자들은 통계 역학에 도전하는 새로운 물질상인 보스 유리의 첫 번째 2차원 버전을 만들었습니다. 연구의 세부 사항은 Nature에 게재되었습니다.

이름에서 알 수 있듯이, 보스 유리는 유리 같은 특성을 가지고 있으며, 그 안에 있는 모든 입자는 국소화되어 있습니다. 즉, 시스템의 각 입자는 이웃과 섞이지 않고 서로 붙어 있습니다. 커피가 국소화되어 있다면, 커피에 우유를 저어 넣으면 흑백 줄무늬의 복잡한 패턴이 평균으로 씻겨 나가는 대신 영원히 남을 것입니다.

이 새로운 물질 단계를 만들기 위해, 그룹은 여러 개의 레이저 빔을 겹쳐 준주기적 패턴을 만들었습니다. 이 패턴은 일반적인 결정처럼 장거리 정렬되지만 주기적이지는 않습니다. 즉, 펜로즈 타일링처럼 결코 반복되지 않습니다. 결과적인 구조를 나노켈빈 온도(절대 영도에 가까움)로 냉각된 초저온 원자로 채웠을 때, 원자는 보스 유리를 형성했습니다.

"국소화는 통계 역학에서 가장 까다로운 문제 중 하나일 뿐만 아니라 양자 컴퓨팅을 발전시키는 데 도움이 될 수도 있습니다." 연구를 이끈 캐번디시 연구소의 다체 ​​물리학 교수인 울리히 슈나이더 교수가 말했습니다. 국소화된 시스템은 주변과 섞이지 않으므로 국소화된 시스템에 저장된 양자 정보는 훨씬 더 오래 보존될 것입니다.

"대형 양자 시스템의 큰 한계는 컴퓨터로 모델링할 수 없다는 것입니다." 슈나이더가 말했습니다. "시스템을 정확하게 설명하려면 모든 입자와 가능한 모든 구성을 고려해야 하는데, 이 숫자는 매우 빠르게 증가합니다. 그러나 이제 우리는 직접 연구하고 역학과 통계를 관찰할 수 있는 실제 2D 사례를 가지고 있습니다."

슈나이더와 그의 팀은 양자 시뮬레이션과 양자 다체 역학에 대한 연구에 집중합니다. 그들은 초저온 원자를 사용하여 대형 풀 양자 컴퓨터가 없는 상황에서는 수치적으로 시뮬레이션할 수 없는 다체 효과를 연구합니다.

이 문제는 시스템이 항상 시스템의 온도만 중요하고 대부분의 다른 세부 사항은 사라지는 열 상태로 이완되기 때문에 상당히 단순화됩니다. 이를 에르고딕이라고 하며, 물질을 이해하는 방법의 기둥 중 하나인 통계 역학의 기초를 형성합니다. 슈나이더는 "예를 들어, 부은 우유의 양을 아는 것만으로도 오랜 시간 저은 후 커피의 최종 색상을 예측하기에 충분합니다."라고 설명했습니다. "하지만 저을 때 흰색과 어두운 소용돌이의 전체 구조를 예측하려면 우유를 어디에 부었는지, 저을 때 어떻게 정확하게 저었는지 아는 것이 중요합니다."

흥미롭게도, Bose 유리는 비에르고딕인 것으로 보입니다. 즉, '세부 사항을 잊지 않는다'는 의미이므로, 이를 모델링하려면 모든 세부 사항이 필요합니다. 이는 이를 다체 국소화의 주요 후보로 만듭니다.

"다체 국소화를 가진 시스템이나 재료를 찾는 것은 장기적인 열망입니다." 연구의 첫 번째 저자인 Jr-Chiun Yu 박사가 말했습니다. "이러한 재료는 기초 연구뿐만 아니라 양자 컴퓨터를 구축하는 데도 많은 새로운 가능성을 제공할 것입니다. 이러한 시스템에 저장된 양자 정보는 보다 국소적으로 유지되어야 하며 환경으로 누출되어서는 안 됩니다. 이는 많은 현재 양자 컴퓨팅 플랫폼에서 문제가 되는 '디코히어런스'라는 프로세스입니다."

실험에서 연구자들은 보즈 유리에서 초유체로의 놀라울 정도로 급격한 상 전이를 관찰했는데, 이는 온도가 상승하면 얼음이 녹는 방식과 유사합니다. 케임브리지의 전 박사후 연구원이자 현재 베이징 대학의 조교수인 보 송 박사는 "초유체는 저항 없이 흐르는 유체입니다."라고 말했습니다. "초유체 속을 헤엄치는 입자를 상상해보세요. 마찰이 없고 유체가 입자를 늦추지 않습니다. 초유체성이라고 하는 이 속성은 초전도성과 밀접한 관련이 있습니다. 또 다른 양자상인 모트 절연체와 함께 새롭게 관찰된 보즈 유리와 초유체는 상호 작용하고 무질서한 시스템에서 보손의 물리학을 설명하는 보즈-허버드 모델의 기본 상태를 구성합니다."

보스 유리와 초유체는 얼음과 액체 물과 같은 물질의 별개의 상입니다. 그러나 물 한 컵에 담긴 얼음 조각처럼, 그들의 시스템의 원자는 동일한 실험 내에서 두 상을 모두 형성할 수 있습니다. 최근의 이론적 예측을 확인하는 실험 결과는 보스 유리가 어떻게 형성되고 진화하는지 보여주므로 이제 과학자들은 이에 대한 응용 프로그램을 생각하기 시작할 수 있습니다.

그러나 미래에 대한 흥미로운 기회가 있기는 하지만, 슈나이더는 우리가 조심해야 한다고 생각합니다. "우리는 여전히 보즈 유리와 그것이 많은 물체 국소화와 잠재적으로 어떻게 연관되어 있는지에 대해 열역학과 동적 특성에 관해 이해하지 못하는 것이 많습니다. 우리는 그것의 용도를 찾기 전에 먼저 이런 질문들에 대한 답을 찾는 데 집중해야 합니다." 슈나이더는 결론을 내렸습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/09/240911112141.htm