갇힌 전자 덕분에 전도성 금속으로 예상되는 물질은 절연체로 남아 있습니다.

2023년 7월 14일

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미국 에너지부

새로운 연구에서는 특수 재료가 전기 전도성 금속에서 전기 절연체로 어떻게 변하는지에 대한 메커니즘을 밝혀냈습니다. 연구진은 양자 물질 La2NiO4에서 파생된 란타늄 스트론튬 니켈 산화물(La1.67Sr0.33NiO4)을 연구했습니다. 양자 물질은 전자가 상호 작용하는 방식으로 인해 발생하는 특이한 특성을 가지고 있습니다. 임계 온도 이하에서는 스트론튬 도핑된 물질이 절연체입니다. 이는 자기 영역에서 유입된 구멍이 분리되어 "줄무늬"를 형성하기 때문입니다. 온도가 증가함에 따라 이 줄무늬는 240K에서 변동하고 녹습니다. 이 온도에서 연구자들은 이 물질이 전도성 금속이 될 것으로 예상했습니다. 대신 단열재로 남아 있습니다. 중성자 산란은 이 흥미로운 현상을 밝혀줍니다. 결과는 전자를 포획하여 전기 전도를 방해하는 특정 원자 진동으로 인해 재료가 절연체로 유지된다는 것을 나타냅니다.

양자 재료는 해당 재료를 구성하는 부품으로는 예측할 수 없는 특성을 가지고 있습니다. 예를 들어, 금속에서 절연체로 전환되거나 초전도체로 작용할 수 있습니다. 그들은 과학과 기술 분야에 엄청난 응용 가능성을 갖고 있습니다. 이 연구는 하나의 양자 물질에서 금속-절연체 전이에 대한 전자-포논 상호 작용의 조정 가능성을 설명합니다. 결과는 강력하게 상호작용하는 전자를 갖는 물질의 이론적 모델을 검증하는 데 도움이 될 것입니다. 이러한 이론은 과학자들이 미래 기술을 위한 새로운 양자 재료를 설계하는 데 도움이 될 것입니다.

금속에서 전자는 결정 구조에 의해 강제된 궤적을 따라 날아다니는 자유 입자로 간주될 수 있습니다. 최근 수십 년 동안 과학자들은 전자가 서로 강하게 반발하고 호스트 결정에서 원자 진동을 반사하는 새로운 물질을 발견했습니다. 이러한 재료는 독특하고 기술적으로 유용한 특성을 나타냅니다. 이러한 특성에는 자기장의 극적인 전기 저항 강하, 표면에서만 전자 전도 및 고온 초전도성이 포함될 수 있습니다. 다양한 재료의 이러한 특성을 이해하는 것은 과학계의 큰 과제로 남아 있습니다.

이 연구는 오크리지 국립연구소(ORNL)의 에너지부 사용자 시설인 파쇄 중성자 소스에서 고강도 중성자 빔을 사용하여 란타늄(La) 원자의 6분의 1이 대체된 원형 양자 물질 La2NiO4 내부를 깊이 관찰했습니다. 스트론튬(Sr) 원자(La1.67Sr0.33NiO4)를 포함합니다. 팀에는 콜로라도 대학교 볼더 캠퍼스(ORNL), 브룩헤이븐 국립 연구소(Brookhaven National Laboratory), 일본 RIKEN 신물질 과학 센터(RIKEN Center for Emergent Matter Science)의 연구원들이 포함되었습니다. 이러한 물질은 전자 스핀과 스트론튬 도핑으로 인해 생성된 정공 사이의 복잡한 상호 작용으로 인해 발생하는 소위 "줄무늬" 차수로 인해 저온에서 절연 효과를 발휘합니다. 도핑된 물질은 줄무늬가 녹을 때 240K 이상에서 금속성이 될 것으로 예상됩니다. 그러나 재료는 절연 상태로 유지됩니다. 공동 연구를 통해 구멍 사이의 강한 마찰과 산소 이온의 특정 진동을 밝혀냈으며 유사한 구조의 다른 재료에서 이러한 상호 작용에 대한 증거를 발견했습니다. 미세한 메커니즘은 다양한 양자 기술에 유용한 특이한 특성을 가진 새로운 재료의 설계를 위한 길을 열 수 있습니다.

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