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전자의 ‘교통체증’ 해소에 대한 예술가들의 인상. 적색 원자는 양자성질이 다르고 주변 전자의 이동을 허용한다.

대부분의 현대 전자 기기는 정보를 처리하고 저장하기 위해 작고 미세하게 조정된 전류에 의존한다.이러한 흐름은 컴퓨터가 얼마나 빨리 작동하는지, 심장박동 조절기가 얼마나 정기적으로 체크하는지, 그리고 돈이 은행에 얼마나 안전하게 저장되어 있는지를 보여준다.

자연물리학에서 발표된 연구를 통해, 브리티시 컬럼비아 대학의 연구원들은 전자의 스핀(원자로 전달되는 양자 자기장)과 핵 주위 궤도 회전 사이의 상호작용을 이용하여 그러한 전류를 정밀하게 제어하는 완전히 새로운 방법을 입증했다.

UBC 스튜어트 블러슨 양자물질연구소(SBQMI)의 수석 저자 Berend Zwartsenberg 박사는 "물질의 전기 전도를 다른 전도로 전환하는 새로운 방법을 발견했다"고 밝혔.​ "이 흥미로운 결과는 전기 전도가 어떻게 작동하는지 이해하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 전도성, 자기성 및 초전도성과 같은 알려진 특성을 더욱 탐구하고 양자 컴퓨팅, 데이터 저장 및 에너지 애플리케이션에 중요한 새로운 특성을 발견하는 데 도움이 될 것입니다."

금속 절연체 전환 스위치 누르기​

일반적으로 모든 재료는 전자가 재료를 통과하여 전기를 전도하는 능력에 따라 금속 또는 절연체로 분류된다.

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회전-궤도 결합 변형이 전자적으로 전도성을 갖도록 하는 데 사용되는 재료의 측정어두운 색은 물질을 통해 자유롭게 이동할 수 있는 전자를 나타내며 전도성 행동을 나타내는 지표다. 크레딧: Berend Zwartsenberg / SBQMI

그러나 모든 절연체가 똑같이 만들어지는 것은 아니다. 간단한 재료에서 금속과 절연성의 차이는 존재하는 전자의 수, 즉 금속은 홀수, 절연체는 짝수로부터 비롯된다. 이른바 모트 절연체처럼 더 복잡한 물질에서 전자는 서로 다른 방식으로 상호작용하며, 섬세한 균형이 전기 전도를 결정한다.

모트 절연체에서 정전기 반발은 전자가 서로 너무 가까이 접근하는 것을 막아 교통체증을 일으키고 전자의 자유로운 흐름을 제한한다.지금까지 이 교통체증을 해소하는 방법은 두 가지로 알려져 있었다. 전자 간 반발 상호작용의 강도를 줄이거나 전자의 수를 바꾸는 방법이었다.

SBQMI 팀은 세 번째 가능성을 탐구했다. 금속 절연체 전환이 가능하도록 재료의 양자적 특성을 변경할 방법이 있는가?

연구팀은 각도 분해 광전자 방출 분광법이라는 기법을 사용, 모트 절연체 Sr2IrO4를 조사하여 전자의 수, 정전기 반발력, 그리고 전자 스핀과 궤도 회전 사이의 상호작용을 관찰하였다.​ “우리는 궤도 각운동량과 스핀을 결합하면 전자가 서로의 존재에 민감해져, 교통 체증을 강화하는 정도까지 속도를 늦춘다는 사실을 발견했습니다."라고 Zwartsenberg가 전했다. "회전-궤도 결합을 줄이면 교통 체증이 완화되고 이 전략을 사용하여 절연체에서 금속으로 전환되는 과정을 처음으로 증명할 수 있었습니다."

SBQMI의 수석 연구원이자 과학 책임자인, 공동저자 Andrea Damascelli는 "이것은 기본적인 물리학 수준에서 정말 흥미로운 결과이며 현대 전자 제품의 잠재력을 확장시킨다"고 말했다."양자물질의 이러한 단계와 그 새로운 전자현상에 대한 미시적인 이해를 발전시킬 수 있다면, 우리는 새로운 전자, 자기 및 감지 응용 분야에서 양자물질을 원자별로 조정함으로써 이용할 수 있습니다."





Artist’s impression of the dissolving of the electronic ‘traffic jam.’ The red atoms are different in their quantum nature and allow transport of electrons in their surroundings.

Most modern electronic devices rely on tiny, finely-tuned electrical currents to process and store information. These currents dictate how fast our computers run, how regularly our pacemakers tick and how securely our money is stored in the bank.

In a study published in Nature Physics, researchers at the University of British Columbia have demonstrated an entirely new way to precisely control such electrical currents by leveraging the interaction between an electron’s spin (which is the quantum magnetic field it inherently carries) and its orbital rotation around the nucleus.

“We have found a new way to switch the electrical conduction in materials from on to off,” said lead author Berend Zwartsenberg, a Ph.D. student at UBC’s Stewart Blusson Quantum Matter Institute (SBQMI). “Not only does this exciting result extend our understanding of how electrical conduction works, it will help us further explore known properties such as conductivity, magnetism and superconductivity, and discover new ones that could be important for quantum computing, data storage and energy applications.”

Flipping the switch on metal-insulator transitions

Broadly, all materials can be categorized as metals or insulators, depending on the ability of electrons to move through the material and conduct electricity.

Measurement of a material where modification of the spin-orbit coupling has been used to make it electronically conductive. The dark colours represent electrons that are free to move through the material, and are an indicator of the conductive behaviour. Credit: Berend Zwartsenberg/SBQMI

However, not all insulators are created equally. In simple materials, the difference between metallic and insulating behavior stems from the number of electrons present: an odd number for metals, and an even number for insulators. In more complex materials, like so-called Mott insulators, the electrons interact with each other in different ways, with a delicate balance determining their electrical conduction.

In a Mott insulator, electrostatic repulsion prevents the electrons from getting too close to one another, which creates a traffic jam and limits the free flow of electrons. Until now, there were two known ways to free up the traffic jam: by reducing the strength of the repulsive interaction between electrons, or by changing the number of electrons.

The SBQMI team explored a third possibility: was there a way to alter the very quantum nature of the material to enable a metal-insulator transition to occur?

Using a technique called angle-resolved photoemission spectroscopy, the team examined the Mott insulator Sr2IrO4, monitoring the number of electrons, their electrostatic repulsion, and finally the interaction between the electron spin and its orbital rotation.

“We found that coupling the spin to the orbital angular momentum slows the electrons down to such an extent that they become sensitive to one another’s presence, solidifying the traffic jam.” said Zwartsenberg. “Reducing spin-orbit coupling in turn eases the traffic jam and we were able to demonstrate a transition from an insulator to a metal for the first time using this strategy.”

“This is a really exciting result at the fundamental physics level, and expands the potential of modern electronics,” said co-author Andrea Damascelli, principal investigator and scientific director of SBQMI. “If we can develop a microscopic understanding of these phases of quantum matter and their emergent electronic phenomena, we can exploit them by engineering quantum materials atom-by-atom for new electronic, magnetic and sensing applications.”

입력 : 2020.02.14 14:29    출처 : http://www.impactlab.net/2020/02/10/new-quantum-switch-turns-metals-into-insulators
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