MIT 물리학자들은 원자 구름 속의 입자 쌍을 성공적으로 이미지화하여 초전도 물질의 전자 동작에 대한 새로운 통찰력을 제공했습니다. Science 저널에 기록된 이 발견은 초전도성과 무열 전자 장치의 추가 개발을 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다. (아티스트 컨셉입니다.)
이미지는 전자가 마찰 없이 물질 사이를 미끄러지는 초전도 쌍을 형성하는 방법을 밝혀줍니다.
노트북이나 스마트폰이 뜨거워지는 것은 번역 중에 에너지가 손실되기 때문입니다. 도시 간 전기를 전송하는 전력선도 마찬가지다. 실제로 생성된 에너지의 약 10%가 전기 전송 과정에서 손실됩니다. 그 이유는 전하를 운반하는 전자가 자유 대리인으로서 전력 케이블과 송전선을 통해 집합적으로 이동할 때 다른 전자와 부딪히거나 부딪히기 때문입니다. 이 모든 추진 과정은 마찰을 일으키고 궁극적으로 열을 발생시킵니다.
그러나 전자가 쌍을 이루면 전투를 극복하고 마찰 없는 물질 사이를 미끄러질 수 있습니다. 이러한 초전도 현상은 극저온에서도 다양한 재료에서 발생합니다. 이러한 물질을 실온에 가깝게 초전도하게 만들 수 있다면 열이 없고 초고효율 전력선이 없는 노트북이나 휴대폰과 같은 무손실 장치를 위한 길을 열 수 있습니다. 하지만 먼저 과학자들은 전자가 어떻게 쌍을 이루는지 이해해야 합니다.
이제 원자 구름에서 입자 결합의 새로운 스냅샷은 초전도 물질에서 전자가 어떻게 결합하는지에 대한 단서를 제공할 수 있습니다. 스냅샷은 [{" attribute="">MIT 물리학자들이 촬영한 것으로, 양성자, 중성자 및 특정 유형의 원자는 물론 전자를 포함하는 주요 입자 종류인 페르미온 쌍을 직접 포착한 최초의 이미지입니다.
MIT 물리학자들은 원자 구름에서 입자가 쌍을 이루는 스냅샷을 포착했는데, 이는 초전도 물질에서 전자가 어떻게 쌍을 이루는지에 대한 단서를 제공할 수 있습니다. 이 데이터 그림에서 빨간색과 파란색 공은 스핀업 및 스핀다운 페르미온이며 일부는 함께 쌍을 이룹니다. 흰색 사이트는 이중 점유 사이트입니다. 크레딧: Thomas Hartke
이 경우 MIT 팀은 칼륨-40 원자 형태의 페르미온을 사용하여 특정 초전도 물질의 전자 동작을 시뮬레이션하는 조건에서 작업했습니다. 그들은 과냉각된 칼륨-40 원자 구름을 이미지화하는 기술을 개발하여 작은 거리로 떨어져 있어도 입자 쌍을 관찰할 수 있었습니다. 그들은 또한 한 쌍이 체커보드를 형성하는 방식과 외로운 독신이 지나가는 것에 의해 방해받는 방식과 같은 흥미로운 패턴과 행동을 선택할 수 있었습니다.
7월 6일 사이언스(Science) 저널에 보고된 이번 관찰은 초전도 물질에서 전자가 어떻게 쌍을 이룰 수 있는지에 대한 시각적 청사진 역할을 할 수 있습니다. 이 결과는 또한 중성자별 내에서 중성자가 쌍을 이루어 밀도가 높고 휘젓는 초유체를 형성하는 방법을 설명하는 데 도움이 될 수 있습니다.
페르미온 쌍은 초전도성과 핵 물리학의 많은 현상의 기초라고 MIT의 Thomas A. Forthright 물리학 교수이자 연구 저자인 Martin Zwierlein이 말했습니다. 그러나 누구도 현장에서 이 쌍을 본 적이 없었습니다. 그래서 마침내 이러한 이미지를 화면에서 충실하게 볼 수 있다는 것은 정말 숨이 막힐 지경이었습니다.
이 연구의 공동 저자에는 Thomas Hartke, Botond Oreg, Carter Turnbaugh 및 Ningyuan Jia, MIT 물리학과, MIT-하버드 초저온 원자 센터 및 전자 연구소의 모든 구성원이 포함됩니다.
괜찮은 전망
전자쌍을 직접 관찰하는 것은 불가능한 작업입니다. 기존 이미징 기술로 캡처하기에는 너무 작고 너무 빠릅니다. 그들의 행동을 이해하기 위해 Zwierlein과 같은 물리학자들은 유사한 원자 시스템을 살펴보았습니다. 전자와 특정 원자는 크기의 차이에도 불구하고 반정수 스핀이라는 특성을 나타내는 페르미온 입자라는 점에서 유사합니다. 반대 스핀의 페르미온이 상호 작용할 때 초전도체에서 전자가 그러하듯이, 가스 구름에서 특정 원자가 그러는 것처럼 그들은 쌍을 이룰 수 있습니다.
Zwierleins 그룹은 두 가지 스핀 상태 중 하나로 제조될 수 있는 페르미온으로 알려진 칼륨-40 원자의 거동을 연구해 왔습니다. 한 스핀의 칼륨 원자가 다른 스핀의 원자와 상호 작용할 때 초전도 전자와 유사하게 쌍을 형성할 수 있습니다. 그러나 일반적인 실온 조건에서는 원자가 흐릿하게 상호작용하여 포착하기 어렵습니다.
Zwierleins 그룹은 두 가지 스핀 상태 중 하나로 제조될 수 있는 페르미온으로 알려진 칼륨-40 원자의 거동을 연구해 왔습니다. 왼쪽부터: Carter Turnbaugh, Ningyuan Jia, Thomas Hartke, Martin Zwierlein, Botond Oreg. 크레딧: Thomas Hartke
그들의 행동에 대한 적절한 시각을 얻기 위해 Zwierlein과 그의 동료들은 입자를 약 1,000개의 원자로 구성된 매우 희석된 가스로 연구하고, 원자를 기어가는 속도로 늦추는 초저온 나노켈빈 조건에 배치합니다. 연구진은 또한 원자가 그 안에서 뛰어다닐 수 있는 광학 격자 또는 레이저 광 격자 내에 가스를 포함하고 있으며, 이를 지도로 사용하여 원자의 정확한 위치를 찾아낼 수 있습니다.
새로운 연구에서 팀은 원자를 순간적으로 동결시킨 다음 하나의 특정 스핀 또는 다른 회전으로 칼륨-40 원자의 스냅샷을 별도로 찍을 수 있는 페르미온 이미징을 위한 기존 기술을 향상시켰습니다. 그런 다음 연구자들은 한 원자 유형의 이미지를 다른 원자 유형 위에 겹쳐 놓고 두 유형이 어디서 어떻게 쌍을 이루는지 확인할 수 있었습니다.
Zwierlein은 실제로 이러한 이미지를 촬영할 수 있는 지점에 도달하는 것이 정말 어려웠다고 말했습니다. 처음에는 이미징에 큰 구멍이 생기고 원자가 도망가며 아무것도 작동하지 않는 것을 상상할 수 있습니다. 우리는 수년에 걸쳐 실험실에서 해결해야 할 매우 복잡한 문제를 안고 있었고 학생들은 엄청난 체력을 가지고 있었으며 마침내 이러한 이미지를 볼 수 있다는 것은 정말 기뻤습니다.
페어 댄스
연구팀이 본 것은 허바드 모델에 의해 예측된 원자 간의 짝짓기 행동이었습니다. 이 이론은 상대적으로 높은(아직 매우 차갑지만) 초전도성을 나타내는 물질인 고온 초전도체에서 전자의 행동에 핵심이 된다고 믿어지고 있습니다. 온도. 이러한 물질에서 전자 쌍이 어떻게 형성되는지에 대한 예측은 이 모델을 통해 테스트되었지만 지금까지 직접 관찰된 적은 없습니다.
팀은 다양한 원자 구름을 수천 번 생성하고 이미지화한 후 각 이미지를 그리드와 유사한 디지털 버전으로 변환했습니다. 각 그리드는 두 가지 유형의 원자 위치를 보여줍니다(종이에 빨간색 대 파란색으로 표시됨). 이 지도에서 그들은 빨간색 또는 파란색 원자 하나만 있는 격자의 사각형, 빨간색과 파란색 원자가 모두 로컬로 쌍을 이루는 사각형(흰색으로 표시), 빨간색이 하나도 포함되지 않은 빈 사각형을 볼 수 있었습니다. 또는 청색 원자(검은색).
이미 개별 이미지에는 많은 로컬 쌍과 근접한 빨간색과 파란색 원자가 표시되어 있습니다. 수백 개의 이미지 세트를 분석함으로써 팀은 원자가 실제로 쌍으로 나타나며 때로는 하나의 정사각형 내에서 촘촘한 쌍으로 연결되고 때로는 하나 또는 여러 개의 격자 간격으로 분리된 느슨한 쌍을 형성한다는 것을 보여줄 수 있습니다. 이러한 물리적 분리 또는 비국소적 쌍은 허바드 모델에 의해 예측되었지만 직접적으로 관찰된 적은 없습니다.
연구자들은 또한 쌍의 집합이 더 넓은 체커판 패턴을 형성하는 것처럼 보였고, 한 쌍의 파트너 중 한 명이 사각형 밖으로 모험을 떠나고 순간적으로 다른 쌍의 체커판을 왜곡함에 따라 이 패턴이 형성 안팎으로 흔들리는 것을 관찰했습니다. 폴라론으로 알려진 이 현상도 예측되었지만 직접적으로 관찰된 적은 없습니다.
이 역동적인 수프에서 입자들은 끊임없이 서로 위로 뛰어오르고 멀어지지만 결코 서로 너무 멀리 춤추지는 않는다고 Zwierlein은 지적합니다.
이들 원자 사이의 짝짓기 행동은 초전도 전자에서도 발생해야 하며 Zwierlein은 팀의 새로운 스냅샷이 과학자들에게 고온 초전도체에 대한 이해를 알리는 데 도움이 될 것이며 아마도 이러한 물질이 더 높고 실용적인 온도에 어떻게 조정될 수 있는지에 대한 통찰력을 제공할 것이라고 말했습니다.
이번 연구에는 참여하지 않았지만 뮌헨 루드비히-막시밀리안 대학의 실험물리학 교수인 임마누엘 블로흐(Immanuel Bloch)는 "이것은 흥미롭고 새로운 연구"라고 말했습니다. 이는 고도로 제어된 양자 시뮬레이션 실험에서 어떻게 복잡한 상관 관계를 직접 관찰할 수 있는지 보여주는 아름다운 예이며, 실험에서 직접 포착할 수 있는 보다 복잡한 상관 관계 패턴에 대한 사고를 자극할 것입니다.
참고 자료: Thomas Hartke, Botond Oreg, Carter Turnbaugh, Ningyuan Jia 및 Martin Zwierlein의 매력적인 Fermi-Hubbard 가스 내 비국소적 페르미온 쌍의 직접 관찰, 2023년 7월 6일, Science.
DOI: 10.1126/science.ade4245
이 연구는 부분적으로 미국 국립과학재단, 미 공군 과학연구실, Vannevar Shrub Staff Fellowship의 지원을
