올해 세 가지 새로운 초전도체가 발견되었으며, 이는 전자가 서로 결합하여 마찰 없는 양자 수프를 형성할 수 있는 무수한 방법을 보여줍니다.
소개
올해에는 저항이 0인 전류의 흐름인 초전도성이 세 가지 서로 다른 재료에서 발견되었습니다. 두 가지 사례는 현상에 대한 교과서의 이해를 확장합니다. 세 번째는 그것을 완전히 파쇄합니다. 이번 발견에 참여하지 않은 하버드 대학교 물리학자 Ashvin Vishwanath는 “많은 사람들이 불가능하다고 말했던 매우 특이한 형태의 초전도체입니다.
1911년 네덜란드 과학자 하이케 카메를링 온네스(Heike Kamerlingh Onnes)가 처음으로 전기 저항이 사라지는 것을 목격한 이후 초전도성은 물리학자들의 마음을 사로잡았습니다. 이것이 어떻게 일어나는지에 대한 순수한 미스터리가 있습니다. 이 현상은 전류를 운반하는 전자가 쌍을 이루어야 한다는 것입니다. 전자는 서로 반발하는데 어떻게 결합할 수 있나요?
그리고 기술적 가능성이 있습니다. 이미 초전도성은 MRI 기계와 강력한 입자 충돌기의 개발을 가능하게 했습니다. 만약 물리학자들이 이 현상이 언제 어떻게 발생하는지 완전히 이해할 수 있다면 아마도 현재처럼 저온에서만이 아니라 일상적인 조건에서 전기를 초전도시키는 전선을 설계할 수 있을 것입니다. 무손실 전력망, 자기 부상 차량 등 세상을 바꾸는 기술이 뒤따를 수도 있습니다.
최근의 쏟아지는 발견은 초전도성의 신비를 더욱 복잡하게 만들고 낙관론을 고조시켰습니다. 워싱턴 대학의 물리학자인 매튜 얀코비츠(Matthew Yankowitz)는 “재료에서 초전도성은 어디에나 있는 것 같습니다.”라고 말했습니다.
이번 발견은 재료 과학의 최근 혁명에서 비롯되었습니다. 세 가지 새로운 초전도 사례는 모두 평평한 원자 시트로 조립된 장치에서 발생합니다. 이 소재는 전례 없는 유연성을 보여줍니다. 버튼 하나만 누르면 물리학자들은 전도성, 절연성 및 보다 이국적인 동작 사이를 전환할 수 있습니다. 이는 초전도체 탐색에 박차를 가하는 현대 연금술입니다.
이제 다양한 원인으로 인해 이 현상이 발생할 가능성이 점점 더 높아지고 있는 것 같습니다. 새, 벌, 잠자리가 모두 서로 다른 날개 구조를 사용하여 날아다니는 것처럼, 물질도 서로 다른 방식으로 전자를 짝짓는 것처럼 보입니다. 연구자들은 문제의 다양한 2차원 물질에서 무슨 일이 일어나고 있는지 정확히 토론하면서도 점점 늘어나는 초전도체 동물원이 매혹적인 현상에 대한 보다 보편적인 시각을 달성하는 데 도움이 될 것으로 기대합니다.
전자 페어링
Kamerlingh Onnes의 관찰(그리고 다른 극도로 차가운 금속에서 볼 수 있는 초전도성)의 사례는 1957년에 마침내 깨졌습니다. John Bardeen, Leon Cooper 및 John Robert Schrieffer는 저온에서 재료의 불안한 원자 격자가 조용해져서 더 섬세한 효과가 나타난다는 것을 알아냈습니다. 전자는 격자의 양성자를 부드럽게 잡아당겨 안쪽으로 끌어당겨 과도한 양전하를 생성합니다. 포논으로 알려진 이러한 변형은 두 번째 전자를 끌어당겨 "쿠퍼 쌍"을 형성할 수 있습니다. 쿠퍼 쌍은 단독 선거로는 할 수 없는 방식으로 모두 응집력 있는 양자 실체로 모일 수 있습니다. 생성된 양자 수프는 물질의 원자 사이에서 마찰 없이 미끄러져 들어가는데, 이는 일반적으로 전기 흐름을 방해합니다.
Bardeen, Cooper 및 Schrieffer의 포논 기반 초전도 이론은 1972년에 물리학 노벨상을 수상했습니다. 그러나 그것이 전부가 아닌 것으로 밝혀졌습니다. 1980년대에 물리학자들은 큐프레이트라고 불리는 구리로 채워진 결정이 원자 흔들림이 포논을 씻어내는 더 높은 온도에서 초전도를 일으킬 수 있음을 발견했습니다. 다른 유사한 예도 이어졌습니다.
이론가들은 전자 쌍을 이루는 새로운 방법을 브레인스토밍했습니다.
더 높은 온도의 초전도체는 전자의 속도를 늦추는 방식으로 원자를 배열한 것으로 보입니다. 그리고 전자가 여유롭게 섞일 기회를 얻게 되면, 전자들은 밀어내는 것이 아니라 쌍을 이루는 것과 같은 새로운 일을 할 수 있는 화려한 전기장을 집합적으로 생성합니다. 이제 물리학자들은 큐레이트에서 특히 전자가 짝짓기를 선호하는 특정한 방식으로 원자 사이를 뛰어다니는 것으로 의심합니다. 하지만 다른 "비전통적인" 초전도체는 여전히 미스터리입니다.
그러다가 2018년 새로운 초전도체가 물리학자들의 눈을 더 크게 뜨게 했습니다.
매사추세츠 공과대학의 물리학자인 파블로 야릴로-헤레로(Pablo Jarillo-Herrero)는 그래핀이라고 불리는 2차원 결정인 벌집 격자로 배열된 탄소 원자 시트를 정확하게 1.1도 비틀어 다른 그래핀 시트 위에 쌓으면 두 층이 초전도할 수 있다는 사실을 발견했습니다.
연구자들은 이미 2D 재료를 다루며 다양한 행동을 찾아내고 있었습니다. 전기장을 적용함으로써 그들은 시트에 전자를 추가하거나 전자가 마치 원자 격자가 수축하는 것처럼 느끼게 만들 수 있었습니다. 단일 2D 장치에서 이러한 설정을 조정하면 수천에서 수백만 개의 잠재적 재료의 동작을 재현할 수 있습니다. Jarillo-Herrero가 보여준 수많은 가능성 중에는 새로운 초전도체인 "마법의 각도" 그래핀이 있었습니다.
그리고 몇 년 후 캘리포니아의 한 그룹은 마법의 각도를 제거하여 3층으로 된 비틀림 없는 그래핀 장치도 초전도가 가능하다는 사실을 발견했습니다.
Mark Belan/Quanta 매거진
연구자들은 이러한 경우 왜 전자가 서로 달라붙는지에 대해 여전히 논의하고 있습니다. 포논은 어떤 면에서는 데이터에 적합하지만 새로운 것에도 책임이 있는 것 같습니다.
그러나 물리학자들을 정말로 흥분시켰던 것은 초전도 전반을 연구할 수 있는 새로운 방법이 제시되었다는 점이었습니다. 맞춤형 2D 장치 덕분에 새로운 결정체를 하나씩 설계하고 성장시키고 테스트하는 고된 작업에서 해방되었습니다. 이제 연구자들은 단일 장치에서 다양한 원자 격자의 효과를 신속하게 재현하고 전자가 무엇을 할 수 있는지 정확히 알아낼 수 있습니다.
이제 연구 전략이 성과를 거두고 있습니다. 올해 물리학자들은 새로운 그래핀 시스템에서 완전히 새로운 형태의 초전도성과 함께 그래핀 이외의 2D 재료에서 초전도성의 첫 번째 사례를 발견했습니다. 이번 발견으로 초기 그래핀 초전도체는 새로운 야생 정글의 외곽에 불과하다는 사실이 입증되었습니다.
입증된 힌트
2020년에 컬럼비아 대학교의 물리학자 Cory Dean과 그의 팀은 다른 2D 결정의 시트 적층을 시도했습니다. 이것은 전이 금속 디칼코게나이드(TMD)라고 불리는 두 가지 유형의 원자가 벌집 모양으로 배열된 것입니다. 시트를 5도 비틀었을 때 저항은 0으로 떨어졌지만 거기에 머물지는 않았습니다. 초전도성에 대한 결론이 나지 않은 힌트였습니다.
탐지의 잠정적 특성은 MIT의 Liang Fu와 루이지애나 주립 대학의 Constantin Schrade가 이를 설명하려는 시도를 막지 못했습니다. 그들은 포논이 답이 아니라고 의심했습니다. 꼬인 재료는 비틀림이 전자가 경험하는 것을 변화시켜 재료에 만화경적인 "모아레" 패턴을 불어넣기 때문에 강력합니다. 모아레에는 전자를 수용하는 인공 원자처럼 작용하는 커다란 육각형 세포가 있습니다. 이 새로운 환경에서 전자는 집합적인 전기적 상호 작용이 행동을 안내할 수 있을 만큼 천천히 움직입니다.
5W 인포그래픽; Mark Belan/Quanta 매거진
그러면 전자들은 어떻게 쌍을 형성하기 위해 공모했을까요? 컬럼비아 그룹은 모아레에 전자를 유입시켰습니다. 그들은 모아레 물질의 큰 세포 각각에 하나의 전자가 있을 때 이 전자들이 "반강자성" 배열을 가정한다는 것을 관찰했습니다. 그들의 고유 자기장은 위쪽과 아래쪽을 가리키는 경향이 있습니다. 모아레에 추가 전자를 추가하면 저항이 0으로 떨어지며 쿠퍼 쌍이 형성되었습니다. Fu와 Schrade는 동일한 전자 대 전자 작용이 반강자성 상태와 초전도 상태를 모두 가능하게 한다고 주장했습니다. 셀당 하나의 전자에서 각 전자는 선호하는 위치와 자기 방향을 가질 수 있습니다. 그러나 전자가 추가로 쌓이면 자기 배열이 불안정해지고 전체 인구가 자유롭게 흐르기 시작합니다.
과학 저널은 TMD가 초전도할 수 있다는 확실한 증거가 없었기 때문에 이러한 아이디어를 설명하는 Fu와 Schrade의 논문을 처음에 거부했습니다. 이제 있습니다. 컬럼비아 그룹은 지난 4년 동안 저온에서 전기 저항을 측정하는 능력을 향상시켰으며 올해 초 획기적인 발전을 이루었습니다. 그들은 또 다른 2장 장치를 5도 비틀어 조립하고 냉각한 후 초전도 현상을 관찰했습니다. 이 관찰 내용은 곧 Nature에 게재될 예정입니다. . “보라, 우리가 존재한다고 생각했던 상태가 정확히 올바른 위치에 나타나는 것을 볼 수 있습니다.”라고 Dean은 말했습니다. “약간의 옹호입니다.”
컬럼비아의 확인으로 뒷받침된 Fu와 Schrade의 이론은 이제 출판되었지만 입증되지 않았습니다. 이를 테스트하는 한 가지 방법은 이론이 예측한 대로 쿠퍼 쌍이 회전할 수 있는지 확인하는 것입니다. 포논으로 쌍을 이루는 전자가 서로 궤도를 돌지 않기 때문에 이는 특이한 특징입니다.
반강자성 금속에 전자를 추가하는 것이 TMD의 초전도성을 높이는 유일한 방법은 아닙니다. 컬럼비아가 발견되기 직전에 또 다른 그룹은 동일한 물질에서 훨씬 더 특이한 초전도성을 발견했습니다.
코넬 대학에서 연구실을 운영하고 있는 학자 커플인 Jie Shan과 Kin Fai Mak은 2018년 Jarillo-Herrero의 블록버스터 트위스트 그래핀 발견 이후 TMD의 초전도성을 찾고 있었습니다. 그들은 5가지 종류의 TMD 결정을 혼합하고 일치시키고, 다양한 비틀림 각도와 온도를 시도하고, 재료에 다양한 전기장 강도를 적용하여 초전도 장치를 찾기 위해 거대한 건초 더미를 검색하는 등 수년을 보냈습니다.
마침내 바늘이 나타났을 때, 바늘은 누구도 본 적이 없는 일종의 초전도성을 보여주었습니다. 컬럼비아 팀은 반강자성 금속으로 시작하여 전자를 추가했습니다. 그러나 코넬 그룹은 절연체부터 시작하여 아무것도 추가하지 않았습니다. 3.5도 약간의 비틀림으로 인해 발생하는 모아레 패턴은 전자의 속도를 크게 늦추고 강력하게 상호 작용하여 모두 셀당 정확히 하나의 전자에 고정되도록 했습니다.
그런 다음 연구진은 적용된 전기장의 강도를 조정하여 장치를 초전도체로 만들었습니다. 연구자들이 Nature에 보고한 결과입니다. 10월의 결과는 어떤 대중적인 초전도 이론에도 딱 들어맞지 않습니다.
Vishwanath는 “뭔가 다른 일이 일어나고 있는 것 같은 냄새가 납니다.”라고 말했습니다.
가장 이국적인 짐승
초전도성이 TMD로 확산되었음에도 불구하고 그래핀은 계속해서 놀랍습니다. 지난 여름, 그래핀 장치는 신화적인 형태의 초전도성을 만들어냈습니다.
이를 발견한 그룹의 리더인 MIT의 Long Ju는 “이것은 다른 모든 초전도체와 현상학적으로 다르다”고 말했습니다. 이는 “1911년 Kamerlingh Onnes 이후 발견된 어떤 초전도체와도 비교됩니다.”
트위스트는 주의 취향에 비해 너무 지저분해요. 모아레 패턴은 모든 장치를 조금씩 다르게 만드는 시트의 주름으로 인해 혼란스러워지는 경향이 있습니다. 대신에 그는 전자의 속도를 늦출 수 있는 4개의 그래핀 층으로 이루어진 계단식 배열을 연구하고 있습니다. 도전은 어떤 그래핀 플레이크가 자연적으로 이러한 계단 배열을 가지고 있는지 알아내는 것입니다. Ju는 적외선 카메라의 도움으로 이를 달성했습니다. Ju씨는 “4개의 서로 다른 레이어를 선택하여 쌓을 필요가 없습니다.”라고 말했습니다. "자연은 당신을 위해 그것을 합니다. 당신은 그것을 볼 수 있는 올바른 눈 쌍만 있으면 됩니다."
작년에 Ju의 그룹은 비틀린 각도로 절연체 위에 5층의 그래핀 플레이크를 배치하고 유도하기 위해 일반적으로 강한 자기장이 필요한 희귀한 전자 행동을 관찰하여 큰 화제를 모았습니다. 이론가들은 비틀림이 필수적인지 여부에 대해 의문을 제기했기 때문에 그와 그의 팀은 비틀림을 제거하면 어떤 일이 일어날지 알아보기 위해 다시 돌아갔습니다. “우리는 더 기괴한 것을 발견했습니다.”라고 주씨는 말했습니다.
그들은 재료에 적용한 전기장의 강도를 변경하면서 저항이 사라지는 여러 설정을 발견했습니다. 두 가지 경우에는 저항이 왔다갔다하면서 초전도성이 깜박였습니다. 이상하게도 근처에 있는 자석을 켜자 깜박거림이 멈췄습니다. 자석은 일반적으로 초전도성을 제거하지만 여기서는 이를 강화합니다. “이것은 이론가들의 상상 속에서만 존재했습니다.”라고 주씨는 말했습니다.
Ju의 그룹은 그래핀 계단이 전자가 쌍을 이루고 회전할 수 있는 조건을 만들고 있다고 의심합니다. 그러나 그들은 그래핀 장치에서 모든 쌍이 같은 방향(시계 방향 또는 시계 반대 방향)으로 회전하는 경향이 있으며 쌍이 모두 균일하게 회전하지 않을 때 깜박임이 나타난다고 생각합니다. 자기장은 전체 환류와 정렬되도록 방향이 다른 쌍을 밀어서 깜박임을 없애줍니다. 이렇게 내부 방향이 선호되는 물질을 "키랄"이라고 부르지만, 키랄성은 쌍 형성을 막는 방식으로 왼쪽과 오른쪽으로 움직이는 전자를 구별하기 때문에 초전도성을 배제하는 것으로 오랫동안 생각되어 왔습니다.
"사람들은 이 환경에서는 초전도성을 얻을 수 없을 것이라고 생각했습니다"라고 Vishwanath는 말했습니다. “완전히 새로운 것이 필요합니다.”
사실 이는 너무 이례적이어서 다른 연구자들이 이를 검증하기 위해 더 많은 실험을 기다리고 있습니다. Mak은 “아마도 여전히 진화하는 이야기일 것입니다.”라고 말했습니다. “키랄 초전도체인지 아닌지를 완전히 확인하려면 추가 데이터가 필요할 뿐입니다.”
한편 이론가들은 키랄 초전도가 어떻게 발생할 수 있는지에 대한 새로운 이론을 발표했습니다. Fu와 공동 연구자들은 지난 9월에 다음과 같은 방법을 제안했습니다. 전자가 절연체에서와 같이 반복 결정을 형성하도록 배열하는 것으로 시작합니다. 단, 이 경우 전자 그리드는 배경 원자핵과 독립적으로 자유롭게 떠다닙니다. 그런 다음 전자 그리드가 이완되고 그 잔물결이 포논과 같은 방식으로 전자를 쌍으로 만듭니다. 푸는 “우리는 미지의 영역에 있다”며 이는 하나의 가능성일 뿐이라고 강조했다.
진정한 이해
물리학자들은 이러한 2D 물질에서 전자 쌍을 이루는 것이 무엇인지 확실히 말할 수는 없지만 이를 수행하는 방법에는 여러 가지가 있다고 더 확신합니다. 전자는 절연체부터 자성 금속, 전자 결정에 이르기까지 모든 종류의 물질로 조직되며, 약간의 교란으로 인해 이러한 물질 중 상당수가 초전도 전자쌍으로 변할 것으로 보입니다.
물질에 더 많은 전자를 추가하거나 전기장을 약간 약화시키면 어떤 일이 발생하는지 직접 확인할 수 있으므로 물리학자들은 전례 없는 수의 방법을 신속하게 시도하고 어떤 방법이 초전도로 이어지는지 확인할 수 있습니다.
Dean은 "진정한 약속은 이러한 각 장치가 "기본적으로 다른 모든 자료를 만들 수 있는 조정 가능한 실험실"이라는 것입니다.
실험가들은 이론가들이 설명할 수 있는 보물 같은 데이터를 축적하고 있습니다. Mak과 Shan은 이러한 풍부함을 통해 이론가들이 실험에서 확인할 수 있는 초전도성을 생성하는 방법을 예측할 수 있기를 바라고 있습니다. 이는 학문적 성취이자 혁명적인 신기술을 위한 재료 설계를 향한 핵심 단계가 될 현상에 대한 진정한 이해를 보여주는 것입니다.
그러나 현재로서는 실험주의자들이 여전히 선두를 달리고 있습니다. Yankowitz는 "모두가 가능한 한 빨리 서두르고 있습니다."라고 말했습니다. “이제 6년이 지났는데 쉴 수가 없다는 게 믿겨지지 않습니다.”
