솔리토닉 초형광, 고온 양자 소재의 길을 열다

네이처( Nature) 에 게재된 새로운 연구는 실온에서 초형광에 필요한 메커니즘과 재료 조건을 모두 설명합니다. 이 연구는 초전도, 초유체, 초형광과 같은 특이한 양자 상태를 고온에서 구현할 수 있는 재료를 설계하는 데 청사진 역할을 할 수 있으며, 극저온 작동이 필요 없는 양자 컴퓨터와 같은 응용 분야의 길을 열어줄 것입니다.

이 작업을 수행한 국제팀은 노스캐롤라이나 주립대학이 주도했으며, 듀크대학, 보스턴대학, 파리공과대학의 연구자들이 포함되었습니다.

"이 연구에서 우리는 고온에서 거시적인 양자 결맞음 현상의 실험적 및 이론적 이유를 모두 보여주었습니다."라고 노스캐롤라이나 주립대학교 물리학과 교수이자 이 연구의 교신 저자인 케난 군도그두는 말했습니다. "즉, 상온에서 특이한 양자 상태를 필요로 하는 응용 분야에서 어떤 재료가 다른 재료보다 어떻게, 그리고 왜 더 잘 작동하는지 마침내 설명할 수 있게 되었습니다."

물고기 떼가 일제히 헤엄치거나 반딧불이가 동시에 번쩍이는 모습을 상상해 보세요. 이는 자연에서 나타나는 집단 행동의 예입니다. 양자 세계에서도 이와 유사한 집단 행동, 즉 거시적 양자 상전이 현상이 일어나면 초전도, 초유동, 초형광과 같은 특이한 현상이 발생합니다. 이러한 모든 과정에서 양자 입자 집단은 거대한 양자 입자처럼 거시적으로 결맞는 시스템을 형성합니다.

그러나 양자 위상 전이는 일반적으로 초저온 또는 극저온 조건에서만 발생합니다. 이는 높은 온도가 동기화를 방해하고 위상 전이를 방해하는 열 "잡음"을 생성하기 때문입니다.

이전 연구에서 군도그두와 동료들은 일부 하이브리드 페롭스카이트의 원자 구조가 상전이가 일어날 만큼 충분히 오랫동안 양자 입자 집단을 열잡음으로부터 보호한다는 것을 밝혀냈습니다. 이러한 물질에서는 전자에 결합된 원자 집단인 큰 폴라론이 형성되어 발광 쌍극자를 열 간섭으로부터 절연시키고 초형광을 가능하게 했습니다.

새로운 연구에서 연구진은 절연 효과가 어떻게 작용하는지 밝혀냈습니다. 연구진이 연구한 하이브리드 페로브스카이트 내부의 전자를 레이저로 여기시켰을 때, 폴라론들이 모여 큰 무리를 이루는 것을 관찰했습니다. 이 무리를 솔리톤이라고 합니다.

"원자 격자를 두 지점 사이에 팽팽하게 늘어진 얇은 천이라고 생각해 보세요."라고 군도그두는 말합니다. "여기자를 나타내는 단단한 공들을 천 위에 놓으면 각 공이 천을 국부적으로 변형시킵니다. 초형광과 같은 특이한 상태를 얻으려면 모든 엑시톤, 즉 공들이 결맞는 그룹을 형성하고 격자와 하나의 단위로 상호 작용해야 하지만, 고온에서는 열 잡음 때문에 이것이 불가능합니다.

"공과 그 국소적 변형은 함께 폴라론을 형성합니다." 군도그두는 계속해서 말한다. "이 폴라론들이 격자 내에서 무작위 분포에서 질서 있는 형태로 전이될 때, 솔리톤, 즉 결맞는 단위를 형성합니다. 솔리톤 형성 과정은 양자 효과를 방해하는 열적 교란을 완화합니다."

"솔리톤은 물질 내에 여기된 폴라론의 밀도가 충분할 때만 형성됩니다."라고 노스캐롤라이나 주립대 박사과정 학생이자 이 논문의 공동 제1저자인 무스타파 튀레는 말합니다. "저희 이론에 따르면 폴라론 밀도가 낮으면 시스템은 자유로운 비결맞음 폴라론만 가지지만, 임계 밀도를 넘어서면 폴라론은 솔리톤으로 진화합니다."

"저희 실험에서 비간섭성 비상관 위상에서 질서 있는 위상으로 폴라론 그룹이 진화하는 과정을 직접 측정했습니다."라고 노스캐롤라이나 주립대학교 박사후연구원이자 이 연구의 공동 제1저자인 멜리케 빌리로글루는 덧붙였습니다. "이것은 거시적인 양자 상태 형성을 직접 관찰한 최초의 사례 중 하나입니다."

솔리톤 형성이 온도의 해로운 영향을 억제한다는 것을 확인하기 위해, 연구팀은 듀크 대학교 기계공학 및 재료과학 루니 패밀리 부교수인 볼커 블룸과 협력하여 열 간섭을 일으키는 격자 진동을 계산했습니다. 또한, CNRS와 에콜 폴리테크닉의 물리학 교수인 바실리 템노프와 협력하여 열 잡음이 존재하는 환경에서 솔리톤의 재결합 동역학을 시뮬레이션했습니다. 이들의 연구는 실험 결과를 확인하고 솔리톤의 고유한 결맞음을 검증했습니다.

이 연구는 특정 하이브리드 페로브스카이트가 이국적인 양자 상태를 나타낼 수 있는 이유와 방법을 이해하는 데 큰 진전을 이뤘습니다.

"이 연구 이전에는 이러한 재료에서 고온 양자 효과의 메커니즘이 있는지 확실하지 않았습니다."라고 이 논문의 공동 저자이자 NC 주립대 재료 과학 및 공학과 월터 및 아이다 프리먼 명예교수인 프랭키 소는 말합니다.

"이 연구는 정량적 이론을 제시하고 실험 결과를 통해 이를 뒷받침합니다."라고 군도그두는 말합니다. "초전도와 같은 거시적 양자 효과는 우리가 추구하는 모든 양자 기술, 즉 양자 통신, 암호학, 감지, 계산의 핵심이며, 현재 이러한 기술들은 모두 저온 요구라는 제약을 받고 있습니다. 하지만 이제 이 이론을 이해함으로써 고온에서 작동할 수 있는 새로운 양자 물질을 설계할 수 있는 지침을 얻게 되었으며, 이는 큰 진전입니다."

본 연구는 미국 에너지부 과학국(연구비 번호: DE-SC0024396)의 지원을 받았습니다. 듀크 대학교의 시시 킨(Xixi Qin)과 우트팔라 헤라스(Uthpala Herath), 보스턴 대학교의 안나 스완(Anna Swan), 그리고 파리 공과대학(Institut Polytechnique de Paris)의 안토니아 기타(Antonia Ghita) 연구원들도 본 연구에 기여했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/05/250528131645.htm