나노기술 및 정책 정보

• 목록

​

2010년에 두 명의 러시아-영국 과학자가 흑연의 빌딩 블록인 그래핀을 발견한 공로로 노벨 물리학상을 수상하면서 더 많은 대중에게 알려지게 된 이 2차원 물질은 수년간 연구에서 호황을 누리고 있음. 이 물질은 양자 역학 법칙으로만 설명할 수 있고 독일 University of Bonn의 Michael Köhl 교수가 이끄는 연구팀은 이전에 알려지지 않은 양자 현상에 대한 새로운 통찰력을 얻기 위해 초저온 원자를 사용하여 두 개의 결합된 원자 박막 사이의 자기 순서가 서로 경쟁한다는 것을 발견함.

그러나 비정상적인 양자 현상이 어떻게 발생하는지는 아직 완전히 이해되지 않았음. 이에 대해 조명하기 위해 연구팀은 여러 양자 입자의 상호 작용을 모방하는 소위 양자 시뮬레이터를 사용하고 있음. 기존의 방법으로는 불가능한 일이며, 최첨단 컴퓨터 모델조차도 자기 및 전기와 같은 복잡한 프로세스를 마지막 세부 사항까지 계산할 수 없었음.

연구원들이 사용하는 시뮬레이터는 극저온 원자로 구성됨. 극저온 원자는 온도가 절대 영도보다 100 만분의 1도에 불과하기 때문임. 원자는 레이저와 자기장을 사용하여 냉각되고, 원자는 광학 격자, 즉 레이저 빔을 중첩하여 형성된 정상파에 위치함. 이런 식으로 원자는 고체 상태에서 전자의 행동을 시뮬레이션함. 실험 설정을 통해 외부 수정 없이 다양한 실험을 수행 할 수도 있음.

양자 시뮬레이터 내에서 과학자들은 처음으로 결정 격자의 정확히 두 개의 결합된 층의 자기 상관 관계를 측정하는 데 성공함. Michael Köhl의 연구팀의 박사 과정 학생인 Nicola Wurz와 Marcell Gall은 "이 커플링의 강도를 통해 다른 방식으로 재료를 변경하지 않고도 자기가 형성되는 방향을 90도 회전시킬 수 있었다."고 설명함. 광학 격자의 원자 분포를 연구하기 위해 개별 격자 층 간의 자기 상관 관계를 측정 할 수 있는 고해상도 현미경을 사용함. 이러한 방식으로 그들은 자기 순서, 즉 시뮬레이션 된 고체 상태에서 원자 자기 모멘트의 상호 정렬을 조사함. 그 결과, 층 사이의 자기 순서가 단일 층 내의 원래 순서와 경쟁한다는 것을 관찰하여 더 강한 층이 결합 될수록 층 사이에 더 강한 상관 관계가 형성된다는 결론을 내림.

새로운 결과를 통해 미시적 수준에서 결합된 레이어 시스템에서 전파되는 자기를 더 잘 이해할 수 있었음. 연구 결과는 무엇보다도 재료 특성에 대한 예측을 돕고 고체의 새로운 기능을 달성하는 데 도움이 됨. 예를 들어 고온 초전도는 자기 결합과 밀접한 관련이 있기 때문에 새로운 발견은 장기적으로 이러한 초전도체를 기반으로 한 신기술 개발에 기여할 수 있음.

본 연구는 Nature("Competing magnetic orders in a bilayer Hubbard model with ultracold atoms")에 게재됨.