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미국 에너지 부 Ames 연구소의 연구진과 Brookhaven 국립 연구소 및 버밍엄 앨라배마 대학의 공동 연구진은 재료의 결정격자를 비틀어 거대한 전자 전류를 켜는 새로운 광 유도 스위치를 발견함.

이 발견은 스핀 트로닉스, 토폴로지 효과 트랜지스터 및 양자 컴퓨팅에 큰 가능성을 지닌 토폴로지 재료 범주에서 이루어짐.

바일(Weyl) 및 디랙 반금속(Dirac semimetals)은 전자를 보호하는 물질의 결정격자 및 전자 구조의 고유한 상태를 활용하면서 이색적이고 거의 손실이 없는 전자 전도 특성을 호스팅 할 수 있음. 대칭과 토폴로지로 보호되는 이러한 비정상적인 전자 수송 채널은 일반적으로 구리와 같은 기존 금속에서는 발생하지 않음.

이론 물리학의 맥락에서만 수십 년 동안 설명된 이후, 디바이스 응용을 위해 토폴로지로 보호된 전자 특성을 제조, 탐색, 정제 및 제어하는데 대한 관심이 증가하고 있음.

Ames 연구소의 선임 연구원이자 아이오와 주립 대학의 물리학 교수인 Jigang Wang은 "광 유도 격자 비틀림 또는 음파 스위치는 결정 반전 대칭을 제어하고 매우 작은 저항으로 거대한 전류를 광 생성 할 수 있다."며, "이 새로운 제어 원리는 정적 전기장이나 자기장이 필요하지 않으며 훨씬 더 빠른 속도와 낮은 에너지 비용을 제공한다."고 말함. 또한 "이 발견은 훨씬 더 빠른 속도, 낮은 에너지 비용 및 높은 작동 온도를 실행할 수 있는 키랄 물리학 및 무손실 에너지 전송에 기반한 새로운 양자 컴퓨팅 원리로 확장될 수 있다."고 덧붙임.

연구진은 테라 헤르츠(초당 1조 사이클) 레이저 광 분광법을 사용하여 이러한 재료를 연구하고 조금씩 움직여서 특성의 대칭 전환 메커니즘을 밝힘.

이 실험에서 연구진은 결정의 격자 배열을 비틀기 위해 레이저 펄스를 사용하여 재료의 전자 구조의 대칭을 변경함. 이 전등 스위치는 재료의 "Weyl point"를 활성화하여 전자가 원하는 보호되고 낮은 손실 전류를 전달할 수 있는 질량 없는 입자로 작동하도록 함.

버밍엄 앨라배마 대학의 물리학 교수 Ilias Perakis는 "우리는 결정 반전 대칭을 깨기 위해 평형 위치 주변에서 원자의 주기적인 움직임을 유도함으로써 이 거대한 손실 없는 전류를 달성했다."며, "이 광 유도 바일 반금속 전송 및 토폴로지 제어 원리는 보편적인 것으로 보이며 고속 및 낮은 에너지 소비로 미래의 양자 컴퓨팅 및 전자 장치 개발에 매우 ​​유용할 것"이라고 말함.

Brookhaven 국립 연구소의 첨단 에너지 소재 그룹장인 Qiang Li는 "지금까지 부족한 것은 이러한 물질의 대칭을 유도하고 제어하기 위한 저에너지와 빠른 전환"이라며, “빛 대칭 스위치의 발견은 재료의 불완전성 및 불순물에 부딪혀도 약화되거나 느려지지 않는 토폴로지 보호 상태인 손실 없는 전자 전류를 전달할 수 있는 매력적인 기회를 열어준다.”고 말함.

본 연구 성과는 Nature Materials ("A Light-induced Phononic Symmetry Switch and Giant Dissipationless Topological Photocurrent in ZrTe5")에 게재됨.