전류는 양자 물질에서 놀라운 길을 택합니다

코넬 연구진은 자기 이미징을 사용하여 특수 유형의 절연체에서 전자가 어떻게 흐르는지 최초로 직접 시각화했으며 이를 통해 과학자들이 오랫동안 연구해온 것처럼 전송 전류가 가장자리가 아닌 재료 내부를 통해 이동한다는 사실을 발견했습니다. 추정.

이 발견은 소위 양자 변칙 홀 절연체의 전자 거동에 대한 새로운 통찰력을 제공하며 보다 일반적인 양자 홀 절연체에서 전류가 어떻게 흐르는지에 대한 수십 년 간의 논쟁을 해결하는 데 도움이 될 것입니다. 이러한 통찰력은 차세대 양자소자를 위한 토폴로지 재료 개발에 도움이 될 것입니다.

연구팀의 논문 "양자 변칙 홀 절연체에서 전자 전달의 직접 시각화"는 Nature Materials에 8월 3일 게재되었습니다. 주요 저자는 Matt Ferguson 박사입니다. 2022년 현재 독일 막스플랑크 고체화학물리연구소에서 박사후 연구원으로 재직 중이다.

예술과학대학 물리학과 조교수이자 논문 수석 저자인 Katja Nowack이 주도한 이 프로젝트는 양자 홀 효과(Quantum Hall Effect)로 알려진 것에서 유래되었습니다. 1980년에 처음 발견된 이 효과는 특정 물질에 자기장이 적용되어 특이한 현상을 유발할 때 발생합니다. 벌크 샘플의 내부는 절연체가 되고 전류는 외부 가장자리를 따라 단일 방향으로 이동합니다. 저항은 기본 보편적 상수로 정의된 값으로 양자화되거나 제한되어 0으로 떨어집니다.

2013년 처음 발견된 양자변칙 홀 절연체는 자화되는 물질을 이용해 동일한 효과를 낸다. 양자화는 여전히 발생하고 종방향 저항은 사라지며, 전자는 초전도체처럼 에너지를 소모하지 않고 가장자리를 따라 속도를 냅니다.

적어도 그것은 대중적인 개념입니다.

“전류가 가장자리를 따라 흐르는 그림은 양자화를 얻는 방법을 정말 훌륭하게 설명할 수 있습니다. 그러나 양자화를 설명할 수 있는 유일한 그림은 아니라는 것이 밝혀졌습니다.”라고 Nowack은 말했습니다. “이 에지 그림은 2000년대 초반에 시작된 토폴로지 절연체의 눈부신 성장 이후 실제로 지배적인 그림이었습니다. 로컬 전압과 로컬 전류의 복잡성은 대부분 잊혀졌습니다. 실제로 이는 가장자리 그림에서 제시하는 것보다 훨씬 더 복잡할 수 있습니다.”

소수의 재료만이 양자 변칙 홀 절연체로 알려져 있습니다. 새로운 연구를 위해 Nowack의 그룹은 크롬이 첨가된 비스무트 안티몬 텔루라이드에 초점을 맞췄습니다. 이 화합물은 10년 전에 양자 변칙 홀 효과가 처음 관찰된 것과 동일한 화합물입니다.

샘플은 펜실베이니아 주립대학교의 물리학 교수인 Nitin Samarth가 이끄는 협력자들에 의해 재배되었습니다. 물질을 스캔하기 위해 Nowack과 Ferguson은 저온에서 작동하여 엄청나게 작은 자기장을 감지할 수 있는 극도로 민감한 자기장 센서인 SQUID라는 연구실의 초전도 양자 간섭 장치를 사용했습니다. SQUID는 자기장을 생성하는 전류 흐름을 효과적으로 이미지화하고 이미지를 결합하여 전류 밀도를 재구성합니다.

Nowack은 "우리가 연구하고 있는 전류는 정말 작기 때문에 측정하기가 어렵습니다."라고 말했습니다. “그리고 샘플에서 좋은 양자화를 얻으려면 온도를 1켈빈 미만으로 낮추어야 했습니다. 우리가 그 일을 해낸 것을 자랑스럽게 생각합니다.”

연구자들은 경계 가장자리가 아닌 물질의 대부분에 흐르는 전자를 발견했을 때 오래된 연구를 파헤치기 시작했습니다. 그들은 1980년에 양자 홀 효과가 처음 발견된 이후 몇 년 동안 흐름이 어디서 발생했는지에 대해 많은 논쟁이 있었다는 것을 발견했습니다. 이는 대부분의 젊은 재료 과학자들에게는 알려지지 않은 논쟁이라고 Nowack은 말했습니다.

“토폴로지 재료를 연구하는 새로운 세대가 이 작업을 주목하고 토론을 다시 시작하기를 바랍니다. 우리가 토폴로지 재료에서 일어나는 일의 매우 근본적인 측면조차 이해하지 못한다는 것은 분명합니다.”라고 그녀는 말했습니다. “만약 전류가 어떻게 흐르는지 이해하지 못한다면, 우리는 이 물질에 대해 실제로 무엇을 이해하고 있을까요?”