과학자들은 초고속 레이저 기술을 이용해 양자 운동을 동결시켰습니다.

출처: Brad Baxley/Part to Whole

레이저 펄스는 구리 사다리의 전자적 변화를 유발하여 평소보다 약 1,000배 더 오래 지속되는 장수명 양자 상태를 생성합니다.

양자 물질은 외부 요인에 의해 여기될 때 놀라운 창발적 특성을 보입니다. 그러나 이러한 여기 상태는 여기가 제거되면 빠르게 소멸되어 실제 응용에 제한이 있습니다. 하버드 대학교와 폴 셰러 연구소(PSI) 연구팀은 PSI의 X선 자유 전자 레이저(X-ray Free Electron Laser, SwissFEL)에서 나오는 밝은 X선 섬광을 이용하여 이러한 순간적인 상태를 안정화하고 양자 거동을 조사하는 방법을 시연했습니다. 이 연구 결과는 Nature Materials 저널에 게재되었습니다.

일부 물질은 손실 없는 전자 장치부터 고용량 배터리에 이르기까지 혁신적인 기술로 이어질 수 있는 매혹적인 양자 특성을 보입니다. 그러나 이러한 물질이 자연 상태에서는 이러한 특성이 감춰져 있기 때문에 과학자들은 이러한 특성이 드러나도록 조심스럽게 요청해야 합니다.

이를 위한 한 가지 방법은 초단 펄스 광을 사용하여 물질의 미세 구조와 전자 상호작용을 변화시켜 기능적 특성을 드러내는 것입니다. 하지만 좋은 현상은 영원히 지속되지 않습니다. 이러한 빛 유도 상태는 일시적이며, 일반적으로 수 피코초(picosecond) 동안만 지속되기 때문에 실제 응용 분야에서 활용하기 어렵습니다. 드물지만 빛 유도 상태가 장시간 지속되는 경우도 있습니다. 그러나 이러한 현상에 대한 우리의 이해는 여전히 제한적이며, 지속되는 들뜬 상태를 설계하기 위한 일반적인 틀은 존재하지 않습니다.

하버드 대학교 과학자들과 PSI 동료들은 산화구리 화합물의 전자 상태 대칭성을 조절함으로써 이 과제를 극복했습니다. PSI의 X선 자유 전자 레이저인 SwissFEL을 사용하여, 맞춤형 광학 여기가 수 나노초 동안 지속되는 '준안정' 비평형 전자 상태를 유도할 수 있음을 입증했습니다. 이는 일반적인 지속 시간보다 약 천 배 더 긴 시간입니다.

빛으로 전자를 조종하다

연구 중인 화합물인 Sr 14 Cu 24 O 41 (소위 큐프레이트 사다리)은 거의 1차원적입니다. 이 화합물은 사다리와 사슬이라는 두 개의 서로 다른 구조 단위로 구성되어 있으며, 이는 구리와 산소 원자가 배열되는 모양을 나타냅니다. 이 1차원 구조는 고차원 시스템에서도 나타나는 복잡한 물리 현상을 이해하는 데 있어 단순화된 플랫폼을 제공합니다.

이 연구를 주도한 하버드 대학교의 실험 응집물질물리학자 마테오 미트라노는 "이 물질은 우리의 초파리와 같습니다. 일반적인 양자 현상을 연구하는 데 사용할 수 있는 이상적인 플랫폼입니다."라고 말했습니다.

장수명('준안정') 비평형 상태를 달성하는 한 가지 방법은 탈출할 에너지가 충분하지 않은 에너지 우물에 물질을 가두는 것입니다. 그러나 이 기술은 재료의 분자 배열을 변화시키는 구조적 상전이를 유발할 위험이 있으며, 미트라노와 그의 팀은 이를 피하고 싶었습니다. 미트라노는 "순수 전자적 방법을 통해 재료를 비평형 상태에 고정하는 다른 방법이 있는지 알아보고 싶었습니다."라고 설명합니다. 이러한 이유로 대안적인 접근 방식이 제안되었습니다.

이 화합물에서 사슬 단위는 높은 밀도의 전자 전하를 보유하는 반면, 사다리는 상대적으로 비어 있습니다. 평형 상태에서는 전자 상태의 대칭성으로 인해 두 단위 사이의 전하 이동이 방지됩니다. 정밀하게 설계된 레이저 펄스는 이러한 대칭성을 깨고 전하가 사슬에서 사다리로 양자 터널링될 수 있도록 합니다.

미트라노는 "밸브를 켜고 끄는 것과 같습니다."라고 설명합니다. 레이저 여기가 꺼지면 사다리와 사슬을 연결하는 터널이 닫히고 두 단위 사이의 통신이 끊어지며, 시스템은 일정 시간 동안 새로운 장수명 상태에 갇히게 되어 과학자들이 그 특성을 측정할 수 있습니다.

최첨단 고속 X선 프로브

SwissFEL에서 생성된 초고휘도 펨토초 X선 펄스는 준안정 상태의 형성과 그에 따른 안정화를 제어하는 ​​초고속 전자 과정을 포착할 수 있게 해 주었습니다. SwissFEL 푸르카 종단장치에서 시간 분해능 공명 비탄성 X선 산란(tr-RIXS)이라는 기술을 사용하여 연구자들은 자기, 전기 및 궤도 여기 현상과 시간에 따른 이들의 변화에 ​​대한 고유한 통찰력을 얻을 수 있으며, 이를 통해 다른 탐사선에는 종종 감춰져 있는 특성들을 밝혀낼 수 있습니다.

"우리는 시스템의 물리적 특성을 결정하는 원자를 구체적으로 표적으로 삼을 수 있습니다."라고 Furka 엔드스테이션의 그룹 리더이자 실험 설정을 담당한 엘리아 라졸리는 설명했습니다.

이 능력은 준안정 상태를 유발하는 빛에 의한 전자 운동을 분석하는 데 핵심적인 역할을 했습니다. "이 기술을 통해 전자가 고유의 초고속 시간 척도에서 어떻게 움직이는지 관찰하여 전자의 준안정성을 밝혀낼 수 있었습니다."라고 하버드 박사후연구원이자 논문 주저자인 하리 파드마는 덧붙였습니다.

앞으로 더 많은 것 중 첫 번째

tr-RIXS는 들뜬 물질의 에너지 및 운동량 역학에 대한 독창적인 통찰력을 제공하여 SwissFEL 사용자에게 양자 물질 연구에 새로운 과학적 기회를 제공합니다. 실제로 이러한 결과는 새로운 푸르카(Furka) 종단 스테이션에서 사용자 그룹이 수행한 최초의 실험에서 비롯되었습니다. 하버드 연구팀은 푸르카의 tr-RIXS 개발에 대한 관심이 PSI 과학자들과 협력하게 된 동기가 되었습니다. 미트라노는 "이런 종류의 실험을 할 수 있는 기계를 사용할 수 있는 기회는 흔치 않습니다."라고 말했습니다.

이 초기 시범 실험 이후, 푸르카 엔드스테이션은 RIXS 에너지 분해능 향상을 위한 업그레이드를 거쳤으며, 격자 여기와 같은 새로운 유형의 개별 및 집단 여기를 연구할 준비가 되었습니다. 라졸리는 "이 실험은 우리가 수행할 수 있는 실험의 종류를 보여주는 데 매우 중요했습니다. 엔드스테이션과 계측 장비는 이미 훨씬 개선되었으며, 앞으로도 계속 개선해 나갈 것입니다."라고 결론지었습니다.

이 연구는 평형 상태에서 멀리 떨어진 양자 물질을 제어하는 ​​데 있어 중요한 진전을 나타내며, 미래 기술에 광범위한 영향을 미칩니다. 빛에 의해 유도된 비평형 상태를 안정화함으로써, 이 연구는 조절 가능한 기능을 가진 물질을 설계할 수 있는 새로운 가능성을 제시합니다.

이를 통해 전기 신호를 빛으로, 또는 그 반대로 변환하는 변환기를 포함한 초고속 광전자 소자를 구현할 수 있으며, 이는 양자 통신 및 광자 컴퓨팅의 핵심 구성 요소입니다. 또한, 빛에 의해 생성되고 제어되는 양자 상태에 데이터가 인코딩되는 비휘발성 정보 저장 방식을 제시합니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/06/250605162707.htm