물리학자들은 보존으로 만들어진 이국적인 물질을 발견했습니다

2023년 6월 7일

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작성자: 소니아 페르난데스(Sonia Fernandez), 캘리포니아대학교-산타바바라

격자(창문이나 벌집 모양의 균일한 셀 격자의 평평한 부분)를 선택하고 그 위에 또 다른 유사한 격자를 놓습니다. 그러나 두 격자의 가장자리나 셀을 정렬하는 대신 위쪽 격자를 비틀어 아래쪽 격자의 일부를 볼 수 있도록 하십시오. 이 새로운 세 번째 패턴은 모아레이며, UC Santa Barbara 물리학자들이 몇 가지 흥미로운 물질 거동을 발견한 곳은 이셀레나이드 텅스텐과 이황화 텅스텐 격자의 중첩 배열 유형 사이입니다.

UCSB 응집 물질 물리학자 Chenhao Jin 그룹의 대학원생 연구원이자 Science 저널에 게재된 논문의 주요 저자인 Richen Xiong은 "우리는 물질의 새로운 상태, 즉 보존 상관 절연체를 발견했습니다."라고 말했습니다.

Xiong, Jin 및 UCSB, 애리조나 주립 대학 및 일본 국립 재료 과학 연구소의 공동 작업자에 따르면 엑시톤이라고 불리는 보손 입자의 고도로 정렬된 결정인 이러한 물질이 "실제"에서 생성된 것은 이번이 처음입니다. (합성과 반대되는) 물질 시스템.

“전통적으로 사람들은 많은 페르미온을 합칠 때 무슨 일이 일어나는지 이해하기 위해 대부분의 노력을 기울였습니다.”라고 진은 말했습니다. "우리 연구의 주요 추진력은 기본적으로 상호작용하는 보존으로부터 새로운 물질을 만들었다는 것입니다."

아원자 입자는 페르미온과 보존이라는 두 가지 광범위한 유형 중 하나로 나타납니다. 가장 큰 차이점 중 하나는 행동에 있다고 진은 말했습니다.

"보손은 동일한 에너지 수준을 차지할 수 있지만 페르미온은 함께 머무르는 것을 좋아하지 않습니다. 이러한 행동이 함께 모여 우리가 알고 있는 우주를 구성합니다."

전자와 같은 페르미온은 안정적이고 정전기력을 통해 상호 작용하기 때문에 우리에게 가장 친숙한 물질의 기초가 됩니다. 한편 광자(빛의 입자)와 같은 보존은 일시적이거나 서로 상호 작용하지 않기 때문에 생성하거나 조작하기가 더 어려운 경향이 있습니다.

이들의 독특한 행동에 대한 단서는 서로 다른 양자 역학적 특성에 있다고 Xiong은 설명했습니다. 페르미온은 1/2 또는 3/2 등과 같은 반정수 "스핀"을 갖는 반면, 보존은 정수 스핀(1, 2 등)을 갖습니다. 엑시톤은 음전하를 띤 전자(페르미온)가 양전하를 띤 반대편 "정공"(또 다른 페르미온)에 결합되어 두 개의 반정수 스핀이 함께 전체 정수가 되어 보존 입자를 생성하는 상태입니다.

시스템에서 엑시톤을 생성하고 식별하기 위해 연구원들은 두 개의 격자를 층으로 쌓고 "펌프-프로브 분광학"이라고 부르는 방법으로 여기에 강한 빛을 비췄습니다. 각 격자의 입자(이황화 텅스텐의 전자와 이셀레나이드 텅스텐의 정공)와 빛의 조합은 연구자들이 이러한 입자의 거동을 조사할 수 있도록 하면서 엑시톤의 형성과 상호 작용에 유리한 환경을 조성했습니다.

“그리고 이 엑시톤이 특정 밀도에 도달하면 더 이상 움직일 수 없게 됩니다.”라고 Jin은 말했습니다. 강한 상호 작용 덕분에 특정 밀도에서 이러한 입자의 집단적 행동은 결정 상태로 만들고 부동성으로 인해 절연 효과를 생성했습니다.

Xiong은 "여기서 일어난 일은 보존을 고도로 질서 있는 상태로 만드는 상관관계를 발견했다는 것"이라고 덧붙였습니다. 일반적으로 초저온에서 보존이 느슨하게 모여 응축물을 형성하지만, 이 시스템에서는 가볍고 상대적으로 높은 온도에서 밀도와 상호 작용이 증가하여 대칭형 고체 및 전하 중성 절연체로 조직화됩니다.