'양자 스핀 액체' 소재로 가는 새로운 길 발견

과학자들은 양자 수준에서 복잡한 '무질서한' 자기적 특성을 가진 물질에 대한 새로운 경로를 처음으로 만들어냈습니다. 루테늄 프레임워크를 기반으로 하는 이 물질은 '키타예프 양자 스핀 액체 상태'의 요구 사항을 충족합니다. 이는 과학자들이 수십 년 동안 이해하려고 노력해 온 애매한 현상입니다.

버밍엄 대학의 과학자들이 Nature Communications 에 발표한 이 연구는 고전적 물리 법칙을 따르지 않는, 수요가 많은 새로운 특성을 지닌 양자 물질을 달성하고 제어하는 ​​데 중요한 단계를 제시합니다.

결정적으로, 이 재료는 두 극을 중심으로 정렬된 기존의 '강자성체'와는 다르게 행동하는 자기적 특성으로 가는 길을 제공합니다. 냉장고나 게시판에서 발견되는 친숙한 막대 자석을 포함하는 강자성체는 서로 상호 작용하는 전자를 포함하고 있으며, 각각은 끌어당기고 밀어내는 작은 자석으로 기능하여 모두 같은 방향을 가리키고 자석에 힘을 줍니다.

양자 스핀 액체 물질은 그런 식으로 행동하지 않는 자기적 속성을 가지고 있습니다. 강자성체의 잘 정렬된 특성 대신, 이러한 물질은 무질서하며 그 안의 전자는 양자 얽힘이라는 과정을 통해 자기적으로 연결됩니다.

양자 스핀 액체는 이론적으로 존재하고 과학자들에 의해 모델링되었지만, 이전에는 실험적으로 생성하거나 자연에서 발견할 수 없었습니다.

새로운 연구에서 연구자들은 이러한 물질 상태를 탐구하는 새로운 경로를 열어주는 새로운 루테늄 기반 물질의 특성을 설명합니다.

수석 연구원인 루시 클라크 박사는 이렇게 설명합니다. "이 연구는 물질의 양자 상태를 탐구할 수 있는 새로운 소재를 어떻게 설계할 수 있는지 이해하는 데 정말 중요한 단계입니다. 지금까지 충분히 탐구되지 않았던 방대한 소재 계열을 열어 양자 응용 분야에서 사용할 새로운 자기적 특성을 어떻게 설계할 수 있는지에 대한 중요한 단서를 제공할 수 있습니다."

과학자들이 양자 스핀 액체 상태가 존재할 수 있다고 믿는 자연적으로 발생하는 구리 광물과 미네랄 결정계가 많이 있지만, 자연에서 발견되는 추가적인 구조적 복잡성으로 인해 증명되지 않았습니다. 양자 스핀 액체의 복잡성은 이론가에게도 어려움을 안겨줍니다. 모델링은 많은 경쟁적인 자기적 상호 작용을 초래하기 때문에, 이를 풀기가 매우 어려워 물리학자들 사이에 의견 불일치가 발생하기 때문입니다.

이론 물리학자 알렉세이 키타예프가 2009년에 만들어낸 모델은 양자 스핀 액체의 기본 원리를 보여줄 수 있었지만, 그 모델이 묘사한 자기적 상호작용은 과학자들이 실험적으로 만들어내지 못하고 물질이 통상적으로 정렬된 자기 상태로 되돌아가는 환경이 필요했습니다.

이러한 행동은 후보 물질의 밀집된 결정 구조와 관련이 있는 것으로 생각됩니다. 이온이 매우 가깝게 뭉쳐 있기 때문에 서로 직접 상호 작용할 수 있으며, 그 결과 자기적 순서로 되돌아갑니다.

버밍엄에 있는 연구팀은 영국의 ISIS 중성자 및 뮤온 소스와 다이아몬드 광원의 전문 장비를 사용하여 개방형 프레임워크 구조를 가진 새로운 소재가 루테늄 금속 이온 간의 상호 작용을 조정할 수 있음을 보여주었고, 이를 통해 키타예프 양자 스핀 액체 상태를 위한 새로운 경로를 제공했습니다.

중요한 점은, 이렇게 더욱 개방적인 구조에서 생성되는 자기적 상호작용이 그렇지 않았을 때보다 약해서 과학자들이 정확한 행동을 조정할 수 있는 여지가 더 크다는 것입니다.

"이번 연구가 완벽한 키타에프 소재를 만들어내지는 못했지만, 이 분야의 이론과 실험 사이에 유용한 가교 역할을 했으며, 연구를 위한 새로운 유익한 영역을 열었다는 점에서 의의가 있습니다."라고 클라크 박사는 덧붙였습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/11/241115124836.htm