물리학자들은 양자 얽힘을 이용해 이상한 금속의 미스터리를 풀다

과학자들은 오랫동안 이상한 금속의 신비를 풀기 위해 노력해 왔습니다. 이상한 금속은 전기와 자기의 기존 규칙에 도전하는 물질입니다. 이제 라이스 대학의 물리학자 팀이 양자 정보 과학의 도구를 사용하여 이 분야에서 획기적인 진전을 이루었습니다.

Nature Communications 에 최근 게재된 그들의 연구 에 따르면 이상한 금속의 전자는 결정적인 전환점에서 더욱 얽히게 되어 이러한 수수께끼 같은 물질의 행동에 대한 새로운 빛을 비춥니다. 이 발견은 미래에 에너지 사용을 혁신할 잠재력이 있는 초전도체의 발전을 위한 길을 열 수 있습니다.

구리나 금과 같이 잘 알려진 전기적 특성을 가진 기존 금속과 달리 이상한 금속은 훨씬 더 복잡한 방식으로 작동하여 내부 작동이 교과서 설명의 범위를 넘어섭니다. Harry C. 및 Olga K. Wiess 물리학 및 천문학 교수인 Qimiao Si가 이끄는 연구팀은 극한 조건에서 전자 상호 작용이 어떻게 진화하는지 측정하는 데 사용되는 양자 계측학의 개념인 양자 Fisher 정보(QFI)를 사용하여 답을 찾았습니다. 그들의 연구에 따르면 근본적인 양자 현상인 전자 얽힘은 양자 임계점, 즉 두 물질 상태 간의 전환에서 정점에 도달합니다.

"저희의 연구 결과는 이상한 금속이 독특한 얽힘 패턴을 보이는 것을 보여주는데, 이는 그들의 이국적인 행동을 이해하는 새로운 렌즈를 제공합니다." Si가 말했습니다. "양자 정보 이론을 활용함으로써, 우리는 이전에는 접근할 수 없었던 깊은 양자 상관 관계를 발견하고 있습니다."

이상한 금속을 연구하는 새로운 방법

대부분의 금속에서 전자는 잘 확립된 물리 법칙에 따라 질서 있게 움직입니다. 그러나 이상한 금속은 이러한 규칙을 어기고 전기에 대한 비정상적인 저항을 보이며 매우 낮은 온도에서 비정상적인 방식으로 행동합니다. 이 퍼즐을 탐구하기 위해 연구자들은 자기 모멘트가 주변 전자와 상호 작용하는 방식을 설명하는 콘도 격자라는 이론적 모델에 초점을 맞추었습니다.

중요한 전환점에서 이러한 상호작용은 너무 강렬해져서 준입자라고 알려진 전기적 행동의 기본 구성 요소가 사라집니다. 연구자들은 QFI를 사용하여 이 준입자 손실의 기원을 전자 스핀이 얽히는 방식으로 추적하여 얽힘이 정확히 이 양자 임계점에서 정점에 도달한다는 것을 발견했습니다.

이 새로운 접근 방식은 양자 정보와 정밀 측정에 주로 사용되는 QFI를 금속 연구에 적용합니다.

Si는 "양자 정보 과학을 응집 물질 물리학과 통합함으로써 우리는 재료 연구의 새로운 방향을 선회하고 있습니다."라고 말했습니다.

보다 효율적인 에너지로 가는 가능한 경로

연구자들의 이론적 계산은 예상치 못하게 실제 실험 데이터와 일치했으며, 특히 원자 수준에서 물질을 조사하는 데 사용되는 기술인 비탄성 중성자 산란의 결과와 일치했습니다. 이러한 연결은 양자 얽힘이 이상한 금속의 행동에서 근본적인 역할을 한다는 생각을 강화합니다.

이상한 금속을 이해하는 것은 단순한 학문적 도전 이상입니다. 상당한 기술적 이점이 있을 수 있습니다. 이러한 재료는 에너지 손실 없이 전기를 전송할 수 있는 잠재력이 있는 고온 초전도체와 밀접한 관련이 있습니다. 이러한 특성을 잠금 해제하면 전력망에 혁명을 일으켜 에너지 전송을 보다 효율적으로 만들 수 있습니다.

이 연구는 또한 양자 정보 도구가 다른 이국적인 물질에 어떻게 적용될 수 있는지 보여줍니다. 이상한 금속은 향상된 얽힘이 귀중한 자원인 미래의 양자 기술에서 역할을 할 수 있습니다. 이 연구는 얽힘이 최고조에 달하는 시점을 보여줌으로써 이러한 복잡한 물질을 특성화하기 위한 새로운 프레임워크를 제공합니다.

연구팀에는 Rice의 Yuan Fang, Yiming Wang, Mounica Mahankali, Lei Chen과 Donostia International Physics Center의 Haoyu Hu, Vienna University of Technology의 Silke Paschen이 포함되었습니다.

그들의 연구는 National Science Foundation, Air Force Office of Scientific Research, Robert A. Welch Foundation, Vannevar Bush Faculty Fellowship 프로그램의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/03/250328173525.htm