초전도 혁신: 과학자들이 양자 물질의 새로운 상태를 발견했습니다

Cornell University 작성2023년 8월 29일

코넬의 과학자들은 Uranium Ditelluride에서 새로운 양자 물질 상태를 발견했습니다. 이는 매우 안정적인 양자 컴퓨터를 위한 재료 플랫폼을 형성하고 다양한 재료에서 이러한 상태를 식별할 수 있는 새로운 방법을 제시함으로써 양자 컴퓨팅 및 스핀트로닉스에 혁명을 일으킬 수 있습니다.

Researchers from Cornell University have identified a new state of matter in candidate topological superconductors, a discovery that may have far-reaching implications for both condensed matter physics and the fields of quantum computingPerforming computation using quantum-mechanical phenomena such as superposition and entanglement." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">양자컴퓨팅과 스핀트로닉스.

코넬대 거시적 양자 물질 그룹(Macroscopic Quantum Matter Group)의 연구원들은 세계에서 가장 강력한 밀리켈빈 주사형 조셉슨 터널링 현미경(SJTM) 중 하나를 사용하여 새롭고 특이한 초전도체인 우라늄 디텔루라이드(UTe2)에서 결정질이지만 초전도 상태를 시각화하고 시각화했습니다. 이 "스핀-삼중항 전자쌍 결정"은 이전에 알려지지 않은 위상학적 양자 물질의 상태입니다.

이번 연구 결과는 최근 네이처 저널에 게재됐다. 물리학자 JC Séamus Davis 연구실에서 근무하는 박사후 연구원인 Qiangqiang Gu는 예술 과학 대학 명예 교수인 James Gilbert White 교수와 University College Cork의 Joe Carroll 및 Oxford University의 Shuqiu Wang과 공동으로 연구를 주도했습니다.

초전도체는 짝짓기 전위가 홀수 패리티를 나타내어 각 전자 쌍이 스핀-삼중항 상태를 채택하고 두 전자 스핀이 동일한 방향을 향하게 될 때 위상학적입니다. 위상학적 초전도체는 이론적으로 매우 안정적인 양자 컴퓨터를 위한 재료 플랫폼을 형성할 수 있기 때문에 물리학자들의 집중적인 연구 대상이라고 Gu는 말했습니다.

그러나 위상학적 초전도성에 대한 10년 간의 집중적인 조사 후에도 코넬 대학에서 발견된 초유체 3He를 제외하고 스핀 삼중항, 홀수 패리티 초전도체로 확실히 인식된 벌크 물질은 없습니다. 최근, 이국적인 신물질 UTe2(Uranium Ditelluride)가 이 분류에 대한 매우 유망한 후보로 떠올랐습니다. 그러나 초전도 순서 매개변수는 여전히 파악하기 어렵다고 Gu는 말했습니다.

2021년에 이론물리학자들은 UTe2가 실제로 위상학적 쌍밀도파(PDW) 상태에 있다고 제안하기 시작했습니다. 그러한 형태의 양자 물질은 지금까지 발견된 적이 없습니다.

간단히 말해서, PDW는 초전도체에서 발견되는 한 쌍의 전자가 고정적으로 춤을 추는 것과 같지만, 그 쌍은 공간에서 주기적인 결정 패턴을 형성합니다.

Gu는 “코넬의 우리 팀은 우리가 발명한 초전도 팁 스캔 조셉슨 터널링 현미경을 사용하여 2016년에 관찰된 최초의 PDW를 발견했습니다.”라고 말했습니다. “그 이후로 우리는 밀리켈빈 온도와 마이크로볼트 에너지 분해능에서 SJTM 연구를 개척해 왔습니다. UTe2 프로젝트의 경우, 우리는 원자 규모에서 초전도 쌍 잠재력의 공간 변조를 직접 시각화했으며 전자쌍의 밀도가 공간에서 주기적으로 변조됨에 따라 PDW 상태에서 예측된 대로 정확하게 변조되는 것을 발견했습니다. 우리가 발견한 것은 새로운 양자 물질 상태, 즉 스핀-삼중항 쿠퍼 쌍으로 구성된 위상학적 쌍 밀도 파동입니다."

쿠퍼쌍 밀도파는 모든 전자가 자유롭게 움직이는 동일한 상태에 있는 기존의 "초전도" 유체를 형성하는 대신 전자 쌍이 초전도 PDW 상태로 동결되는 전자 양자 물질의 한 형태입니다.

"스핀 삼중항 초전도체에서 최초의 PDW 발견은 매우 흥미롭습니다"라고 Gu는 말했습니다. “우라늄 기반 무거운 페르미온 초전도 화합물은 위상학적 초전도 실현을 위한 유망한 플랫폼을 제공하는 새롭고 이국적인 종류의 재료입니다. … 우리의 과학적 발견은 또한 s파, d파, p파 초전도체에서 이 흥미로운 양자 상태의 편재적 특성을 지적하고 광범위한 재료에서 이러한 상태를 식별하기 위한 새로운 길을 밝혀줍니다.”