지금까지 본 적 없는 새로운 형태의 초전도체 거동 발견

초전도 상태의 물질은 과학자들에게 큰 관심을 끌고 있습니다.

이는 컴퓨팅, 에너지 그리드 및 운송을 변화시킬 수 있는 희귀한 특성(주로 저항이 없고 열 손실 없이 전기를 전도하는 능력) 때문입니다.

이 현상은 자유 전자가 매우 추운 온도에서 저에너지 양자 상태로 응축되어 쿠퍼 쌍이라고 불리는 쌍을 이루어 간섭 없이 물질을 통과할 수 있을 때 발생합니다.

2007년에 과학자들은 쿠퍼 쌍이 모래 위의 잔물결처럼 움직이는 동안 특정 패턴을 형성하는 쌍밀도파(PDW)라고 불리는 좀 더 이국적인 유형의 전자 운동의 존재를 예측했습니다.

이제 일리노이 대학교 어바나-샴페인(Urban-Champaign) 연구진이 이끄는 팀이 금속 우라늄 디텔루라이드 표면에서 PDW에 대한 강력한 증거를 발견했습니다. PNAS.

더욱이 패턴은 표준 초전도 상태 밖에서도 지속되는 것으로 밝혀졌는데, 이는 이전에는 볼 수 없었던 현상입니다.

“쌍밀도파는 초전도성에 대한 체셔 고양이의 미소입니다.”라고 일리노이 대학교 어바나-샴페인 캠퍼스의 물리학자 Eduardo Fradkin이 말했습니다.

“그것은 위상 자체가 사라진 뒤에도 남는 흔적입니다.

“기존 초전도체에서 쿠퍼 쌍은 전체 상 전이가 발생할 때 형성되지만, 이 시스템에서는 전이 지점 위의 PDW에서 관찰한 바에 따르면 이들이 미리 다른 상태에서 형성되었음을 알 수 있습니다.”

우라늄 디텔루라이드는 약 2.1켈빈(약 -271°C 또는 -456°F) 미만에서 초전도체가 되며, 한 쌍의 전자도 작은 자기 방향을 갖는 희귀한 ‘스핀-삼중항’ 초전도체로 생각되기 때문에 연구자들의 특별한 관심을 끌고 있습니다.

PDW의 징후는 이전에 금속에서 감지되었으며 여기서 연구원들은 맞춤형 고품질 우라늄 디텔루라이드를 사용하여 자세히 관찰했습니다.

이 물질은 여러 임의 방향에서 자기 반응을 측정할 수 있는 벡터 자기장 주사 터널링 현미경(STM)을 통해 조사되었습니다.

“우리 실험의 주요 이점은 여러 방향을 따라 비정상적으로 큰 자기장 범위를 제공하는 새로 개발된 벡터 자석 장비였습니다.”라고 일리노이 대학 어바나-샴페인 캠퍼스의 물리학자 Zhen Zhu가 말했습니다.

“온도와 함께 필드의 크기와 방향을 체계적으로 변경함으로써 우리는 이러한 모드가 어떻게 진화했는지 추적하고 우리가 관찰한 동작이 본질적이라는 확신을 구축할 수 있었습니다.”

연구진은 초전도에 필요한 임계 온도 이하와 그보다 훨씬 높은 지점에서 보고 있는 전하 패턴을 설명하기 위해 이론적 모델을 추가했습니다.

“고품질 샘플을 성장시키는 새로운 방법 덕분에 우리는 쌍밀도파와 똑같이 온도와 자기장에 반응하는 스펙트럼 특성을 관찰할 수 있었습니다.”라고 일리노이 대학 어바나-샴페인 캠퍼스의 물리학자 Vidya Madhavan이 말했습니다.

“우리는 초전도성이 사라지는 온도 이상에서도 모드가 지속된다는 사실을 보여주었습니다. 이는 지금까지 설득력 있게 관찰되지 않았던 확실한 이론적 예측입니다.”

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이는 더 높은 온도에서 우라늄 디텔루라이드에서 대량 초전도가 발생한다는 것을 의미하지는 않지만 물리학자들이 쿠퍼 쌍이 어떻게 기능하고 기존 초전도 상태 외부에서 어떻게 존재할 수 있는지 이해하는 데 도움이 됩니다.

또한 연구원들이 더 높은 온도에서 초전도체를 개발하는 데 필요한 물리학을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이러한 발전으로 인해 이러한 자료를 더욱 널리 사용할 수 있게 될 것입니다.

일부 전자가 불균일한 패턴을 취하는 전하 밀도파(CDW)라는 또 다른 전자 리플 상태가 있습니다. 이러한 파동이 PDW에 어떻게 연결되는지 이해하는 것은 향후 실험 결과를 해석하는 데 중요합니다.

“PDW는 일부 실험에서는 기존의 초전도체처럼 행동하고 실험에서는 CDW처럼 행동하기 때문에 실제 물질에서 분석하기가 까다롭습니다. [others]”라고 스탠포드 대학의 물리학자 Julian May-Mann은 말합니다.

“PDW의 존재를 확인하려면 고품질의 실험 데이터와 신중한 이론적 분석이 모두 필요합니다.”

이 연구는 다음에서 출판되었습니다. PNAS.