자기장에 의해 전환되는 양자 열 역학

열을 전도하는 능력은 물질의 가장 기본적인 속성 중 하나로, 엔지니어링 응용 분야에 필수적입니다. 과학자들은 금속 및 절연체와 같은 기존 재료가 열을 전도하는 방식을 잘 알고 있습니다. 그러나 절대 영도에 가까운 온도와 강한 자기장이 결합된 극한 조건에서는 상황이 그렇게 간단하지 않습니다. 이러한 조건에서는 이상한 양자 효과가 지배적으로 나타납니다.

이는 특히 양자 재료 영역에서 그렇습니다. 헬름홀츠-드레스덴-로센도르프 센터(HZDR), 본 대학교, 국립과학연구센터(CNRS)의 연구자들은 이제 반금속 지르코늄 펜타텔루라이드(ZrTe 5 )를 높은 자기장과 매우 ​​낮은 온도에 노출시켰습니다. 그들은 새로운 메커니즘으로 인해 열 진동이 극적으로 증가한다는 것을 발견했습니다. 이 발견은 과학자들이 저널 PNAS 에 보고한 대로 반금속의 열 전달에서 자기 양자 진동이 감지되어서는 안 된다는 널리 퍼진 믿음에 도전합니다 .

양자 물질 ZrTe 5 는 소위 위상적 반금속의 종류에 속합니다. 물리학에서 "위상적"이라는 용어는 고유한 전자 구조로 인해 매우 견고한("위상적으로 보호된") 전도 특성을 갖는 특수 물질을 설명합니다.

이러한 물질에서 양자 효과는 미래의 양자 기술을 발전시키는 데 중요한 역할을 할 수 있는 비전통적이고 종종 기괴한 현상으로 이어질 수 있습니다. 주목할 점은 연구와 산업 모두 현재 양자 컴퓨터 개발에 상당한 노력을 투자하고 있으며 위상적 물질은 이를 실현할 수 있는 유망한 길로 부상하고 있다는 것입니다. ZrTe₅와 마찬가지로, 이는 사소하지 않은 전자적 특성의 희귀한 집합을 결합하여 고정밀 전자 응용 분야와 자기장 센서 기술에 잠재적으로 관련성이 있습니다.

"은이나 구리와 같은 일반 금속을 절대 영도에 가까운 온도, 즉 -273.15°C의 강한 자기장에 놓으면 열 전도가 진동할 것으로 예상됩니다. 이는 금속 내 전자의 양자 역학적 동역학에 대한 놀라운 예입니다. 이 효과는 금속 내 전자의 점유된 에너지 상태와 점유되지 않은 에너지 상태 사이의 경계인 소위 페르미 표면의 존재로 인해 발생합니다."

현재 라드바우드 대학교 조교수이자 HZDR의 드레스덴 고자기장(HLD) 연구실 방문 과학자인 스타니스와프 갈레스키 박사가 설명합니다. "반면에 반금속에서는 열을 전달하는 데 사용할 수 있는 전자가 매우 적기 때문에 열 전도는 결정 격자 진동을 나타내는 새로운 입자인 포논에 의해 지배된다고 널리 알려져 있습니다. 따라서 열 전달에서 양자 진동은 감지될 수 없습니다." 갈레스키는 보다 전통적인 기대를 요약합니다. 그러나 최근의 여러 실험에서는 반금속의 열 전도에서 거대한 양자 진동이 발견되면서 열 전달 메커니즘에 의문이 제기되었습니다.

반직관적인 메커니즘, 놀라운 행동

본 연구는 이러한 현상이 반금속에서 강한 자기장 하에서 열을 전달하는 매우 반직관적인 메커니즘에서 비롯된다는 것을 보여줍니다. "열 전달은 실제로 격자 진동에 의해 지배되는 것으로 밝혀졌습니다. 그러나 강한 자기장의 존재로 인해 전자 에너지는 불연속적인 에너지 레벨로 제한됩니다.

이 과정은 전자와 포논 간의 상호 작용을 극적으로 향상시킵니다. 결과적으로 포논은 전자의 일부 속성을 상속받으며 전도 자체에서 양자 진동을 보입니다." HLD의 토니 헬름 박사가 이 과정을 설명합니다.

"우리는 강한 자기장과 절대 영도보다 몇 분의 1도 높은 온도에서 반금속 ZrTe₅의 열 전도도와 초음파 감쇠를 연구하여 이 특이한 현상의 존재를 확증했습니다. 우리 실험에서 전자 하위 시스템의 주파수 특성을 가진 명확한 열 양자 진동을 감지했습니다. 그러나 진폭의 온도 의존성은 포논의 특성적 행동을 분명히 따릅니다. 제안된 메커니즘이 작동하고 있다는 명확한 표시입니다."라고 갈레스키는 회상합니다.

놀랍게도 이 원리는 ZrTe₅에 국한되지 않고 낮은 전하 캐리어 밀도를 가진 모든 반금속에 적용됩니다. 위상적이든 아니든 상관없습니다. 유명한 예로는 그래핀과 비스무트가 있습니다. 이 연구는 격자 진동의 열 전도도가 다른 수단을 통해 간신히 감지할 수 있는 미묘한 양자 효과를 연구하는 민감한 도구 역할을 할 수 있음을 시사합니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/03/250319143646.htm