새로운 나노스케일 기술로 양자 물질의 비밀이 밝혀지다

과학자들은 초정밀 측정을 위한 컴퓨팅 및 감지 분야의 양자 기술을 위한 새로운 소재를 개발하기 위해 경쟁하고 있습니다. 이러한 미래 기술이 실험실에서 실제 응용 분야로 전환되려면 표면 근처의 거동, 특히 재료 간 계면에서의 거동에 대한 훨씬 더 깊은 이해가 필요합니다.

미국 에너지부(DOE)의 Argonne National Laboratory의 과학자들은 양자 기술 개발을 진전시키는 데 도움이 될 수 있는 새로운 기술을 공개했습니다. 그들의 혁신인 표면 민감 스핀트로닉스 테라헤르츠 분광법(SSTS)은 양자 물질이 계면에서 어떻게 행동하는지에 대한 전례 없는 모습을 제공합니다.

"이 기술을 사용하면 재료 표면이나 재료 간 계면에서 원자의 집단 진동인 표면 포논을 연구할 수 있습니다." Argonne의 박사후 연구원이자 이 연구의 첫 번째 저자인 Zhaodong Chu가 말했습니다.

"저희의 연구 결과는 표면 포논과 벌크 재료의 포논 사이에 놀라운 차이점을 보여주며 연구와 응용 분야의 새로운 길을 열었습니다."

결정과 같은 물질에서 원자는 격자라고 불리는 반복적인 패턴을 형성하며, 이는 포논이라고 알려진 파동으로 진동할 수 있습니다.

벌크 물질 내의 포논에 대해서는 많은 것이 이해되고 있지만, 계면의 나노미터 내에서 발생하는 표면 포논에 대해서는 알려진 바가 거의 없습니다. 이 팀의 연구에 따르면 표면 포논은 다르게 작동하여 계면 초전도성과 같은 고유한 양자 거동을 가능하게 합니다.

초전도성, 즉 전자가 저항 없이 흐르는 현상은 MRI 기계와 입자 가속기와 같은 기술에 응용됩니다. 계면 초전도성(두 물질 사이의 경계에서만 나타나는 유형)은 새로운 양자 기술에 대한 희망을 줍니다.

"이 발견에 대한 아이디어는 몇 년 전 두 결정질 재료 사이의 계면이 어느 쪽도 스스로는 보이지 않는 초전도 행동을 보일 수 있다는 것을 발견하면서 시작되었습니다." Argonne 물리학자인 Anand Bhattacharya의 말입니다.

Argonne 물리학자 Haidan Wen은 "두 물질이 함께 있을 때만 초전도성의 마법이 덩어리와 다른 경계면에서 일어납니다."라고 덧붙였습니다.

연구팀은 결정 내의 TO1 포논이라 불리는 특정 유형의 진동이 이러한 계면 초전도성을 촉발한다고 믿고, 그 역할에 대한 직접적인 증거를 찾기 시작했습니다.

웬은 두 가지 주요 과제가 있다고 설명했습니다. 첫째, 인터페이스가 샘플에 묻혀 있고 두께가 불과 몇 나노미터에 불과해 기존 방법을 사용하여 연구하기 어렵습니다. 둘째, 팀은 테라헤르츠 방사선으로 작업해야 했습니다.

이는 5G 전화 네트워크보다 천 배 더 높은 주파수 범위에서 발생합니다. 많은 중요한 양자 효과가 이 테라헤르츠 범위에서 발생하지만 고해상도로 포착하는 것은 어렵습니다.

연구자들은 산화물 결정에 얇은 자기 필름을 증착하여 만든 샘플에 SSTS 방법을 사용했습니다. 이 방법에서 초고속 레이저 펄스는 산화물 결정을 통과하여 얇은 자기 층을 공격합니다. 그런 다음 레이저 빛과 물질 간의 상호 작용으로 산화물 계면에서 테라헤르츠 진동이 생성됩니다.

이 기술을 사용하여 팀은 TO1 포논을 감지했습니다. 또한 인터페이스에서 5나노미터 이내의 포논의 거동이 벌크와 다르다는 것을 보여주었습니다. 표면 포논은 호수의 얕은 끝의 파동과 같습니다. 더 깊은 물의 파동과는 다르게 거동합니다.

"저희의 인터페이스 민감 기술은 자기성과 초전도성을 포함한 이해하기 힘든 양자 행동을 조사하기 위해 광범위한 재료에 적용될 수 있습니다." Argonne Distinguished Fellow이자 Argonne Quantum Institute의 이사인 Michael Norman이 말했습니다.

"이제 미래 기술을 위한 새로운 양자 장치를 가리킬 수 있는 양자 재료에 대한 새로운 창이 생겼습니다."

바타차리아는 "물질과 상호 작용하는 테라헤르츠 빛은 우리의 연구처럼 새로운 방식으로 양자 물질을 조사할 수 있을 뿐만 아니라 완전히 새로운 물질 상태를 유도할 수도 있습니다. 이는 미래 조사를 위한 엄청나게 흥미로운 길입니다."라고 덧붙였습니다.

이 연구는 Science Advances 에 게재되었습니다. 위에 인용된 저자 외에도 Argonne 저자로는 Junyi Yang, Yan Li, Jianguo Wen, Ashley Bielinski, Qi Zhang, Alex Martinson, Stephan Hruszkewycz, Dillon Fong이 있습니다. 또한 University of Washington의 Xiaodong Xu와 Kyle Hwangbo도 기여했습니다.

연구 자금은 DOE Office of Basic Energy Sciences에서 지원했습니다. 샘플은 Materials Science 부서의 테라헤르츠 방출 분광법과 DOE Office of Science 사용자 시설인 Argonne's Center for Nanoscale Materials의 전자 현미경으로 특성화되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/02/250218153316.htm