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과학자들은 물리학이 없다고 말한 곳에서 운동을 발견했습니다
저자: Renée Haran, Lawrence Berkeley National Laboratory2025년 3월 25일, 엑시톤 서핑 모아레 회로도 전이 금속 디칼코게나이드라고 알려진 반도체 물질에서 발생하는 모아레 전위를 서핑하는 엑시톤의 개략도. 출처: Antonio Rossi
숨겨진 양자파는 다른 모든 것이 얼어붙어 있을 때에도 입자를 계속 움직일 수 있게 할 수도 있다. 연구자들은 결정 격자에서 발견되는 저온 준입자의 일종인 페이손이 운동이 멈출 것으로 예상되는 온도에서도 층간 엑시톤이 움직일 수 있도록 한다는 것을 발견했습니다. 이번 발견은 재료 과학에 대한 기본적인 이해를 증진시키고, 엑시톤을 큐비트로 사용할 수 있는 잠재적 가능성을 포함한 양자 기술의 안정성을 향상시킬 수 있습니다. 이 연구는 로렌스 버클리 국립 연구소의 분자 주조소에 있는 나노 구조 영상 및 조작 시설의 도구와 전문 지식을 통해 가능했습니다.
모아레 패턴과 양자 재료의 만남 정사각형이나 삼각형과 같이 반복되는 모양의 두 이미지를 쌓고 살짝 돌리면 모아레 패턴이 생깁니다. 이는 표면을 가로질러 물결치는 것처럼 보이는 더 크고 파도와 같은 디자인입니다.
이는 간단한 반복과 정렬로 만들어진 놀라운 광학 효과입니다. 과학자들이 전이 금속 디칼코게나이드(TMD)라고 불리는 원자 두께에 불과한 초박막 물질 층을 쌓을 때 나노스케일 에서도 비슷한 현상이 발생합니다 . 이러한 쌓기는 모아레 퍼텐셜이라고 알려진 것을 생성하는데, 이는 층 사이에 봉우리와 골짜기가 있는 반복적인 에너지 경관입니다. 이러한 모아레 패턴은 비정상적인 전자 및 광학적 행동을 일으킬 수 있습니다. 모아레 전위의 놀라운 움직임 최근까지 모아레 전위는 고정되어 있다고 여겨졌습니다.
하지만 로렌스 버클리 국립 연구소의 분자 주조소 연구원들은 놀라운 사실을 발견했습니다. 스택된 TMD에서 모아레 전위는 고정되어 있지 않고, 매우 낮은 온도에서도 움직입니다. 그들의 발견은 재료 과학의 기초 지식에 기여합니다. 또한, 모아레 퍼텐셜을 제어하면 큐비트와 센서의 디코히어런스를 완화하는 데 도움이 될 수 있으므로 양자 기술의 안정성을 향상시키는 데도 유망합니다. 디코히어런스는 간섭으로 인해 양자 상태와 정보가 손실될 때 발생합니다.
연구원들은 ACS Nano 에 연구 결과를 발표했습니다 . 이 연구는 이론에서 응용에 이르기까지 양자 연구 생태계 전반에 걸쳐 작업하여 양자 기반 장치를 제작하고 테스트하고 소프트웨어와 알고리즘을 개발함으로써 양자 정보 시스템을 발전시키려는 버클리 랩의 보다 광범위한 노력의 일환입니다. 연구는 Molecular Foundry 직원 과학자 Alex Weber-Bargioni의 전 박사후 연구원인 Antonio Rossi가 이끌었습니다.
Rossi는 Molecular Foundry 직원 과학자 Archana Raja와 협력하고 Foundry의 나노구조 이미징 및 조작 시설의 도구를 활용하기 위해 Berkeley Lab으로 돌아왔습니다. 초저온에서 층간 엑시톤 탐색 라자의 연구실은 -150°C 이하의 온도에서 초고속 레이저와 광학 분광법을 사용하여 2D 소재를 특성화하는 데 중점을 두고 있습니다. 녹색 펄스 레이저로 계층화된 TMD 샘플을 여기시키면 전자가 활성화되어 기본 상태에서 여기 상태로 점프합니다. 여기된 전자는 양전하를 띤 '홀'을 남겨 전자-홀 쌍 또는 엑시톤을 생성합니다. 엑시톤은 단일 층 재료 내에서 형성되는 것으로 알려져 있습니다. 그러나 적층된 2층 시스템의 엑시톤은 분리됩니다. 전자는 텅스텐 디설파이드 층으로 이동하고 양전하를 띤 홀은 텅스텐 디셀레나이드 층에 남게 됩니다.
재료 커뮤니티에서 이러한 특수 층 점프 엑시톤은 "층간 엑시톤" 또는 IX라고 합니다. "무아레 계곡이 함정 역할을 할 것이라고 예상할 수 있을 겁니다." 로시가 말했다. "그래서 엑시톤이 그 안에 들어가면 기본적으로 갇히게 됩니다. (계곡에) 앉아 있는 것과 같고, 주변 산만 볼 수 있습니다. 움직이지 않습니다."
모아레 풍경: 정적이지 않고 역동적이다 하지만 팀은 IX가 모아레에 갇힌 상태에서도 모아레의 바다 풍경을 탐험한다는 것을 알아챘습니다. "이 모아레 잠재력을 움직이는 데는 매우 적은 에너지가 필요하므로 모아레는 폭풍우가 치는 바다와 똑같이 움직입니다."라고 로시는 설명했습니다. "우리는 매우 낮은 온도에서도 에너지와 정보가 예상만큼 국한되지 않는다는 것을 보여주었습니다. 이는 모아레 패턴의 특별한 '기계적 특성' 때문에 발생합니다."라고 라자는 말했습니다. "다른 온도에서 에너지와 정보를 전달하는 방법은 다양합니다. 이것은 새로운 방법입니다."
고급 이미징을 통한 엑시톤 추적 Raja의 그룹의 박사후 연구원인 공동 연구자 Jonas Zipfel은 Rossi와 협력하여 측정을 자동화하여 엑시톤의 움직임을 더 잘 이해했습니다. Raja는 "Jonas의 작업 덕분에 우리는 발광 스펙트럼, 이미지, 수명(데이터)을 원활하게 수집할 수 있었고, 이를 통해 엑시톤의 확산도(움직임)를 추출할 수 있었습니다."라고 말했습니다. 운동하는 엑시톤을 관찰할 수 있도록, Imperial College London 의 Johannes Lischner와 Indrajit Maity는 시뮬레이션을 사용하여 모아레 전위 "해경"의 스냅샷을 얻었습니다. 그들은 그것이 다른 시간에 어떻게 행동하는지 보고 싶었습니다.
이론가 리슈너와 마이티와 협력하여 연구팀은 그들의 관찰 결과에 대한 유일한 논리적 설명에 도달했습니다. 즉, 모아레 전위 자체가 움직여야 한다는 것입니다. 페이슨을 이용한 양자 서핑 연구자들은 페이슨이라는 저온 준입자가 IX가 갇힌 상태에서도 움직일 수 있게 한다고 제안했습니다. 준입자는 결정 격자 내의 에너지 양자입니다. 운동량과 위치를 가지고 있으며 일반적으로 입자처럼 행동합니다.
페이슨은 무아레 퍼텐셜에 자연적으로 존재하는 것으로 생각되는 준입자입니다. 로시는 "(중간층) 엑시톤이 모아레를 서핑하고 움직이는 것이 있습니다."라고 말했습니다. 그는 페이슨이 서핑보드가 서퍼가 파도를 잡을 수 있도록 하는 것과 같은 방식으로 움직임을 중재한다고 믿습니다. "어떤 면에서는 엑시톤을 운반하는 것과 같습니다."
거의 영하 온도에서의 놀라운 운동 지속성 로시와 팀은 모아레 퍼텐셜 내의 층간 엑시톤의 움직임이 각도와 온도에 따라 달라진다는 것을 발견했습니다. TMD 층이 평행할 때(적층된 층의 분자가 같은 방향으로 정렬될 때) 그들의 움직임은 최대가 됩니다. 예상치 못하게도 시스템 온도가 0에 가까워지면서 층간 엑시톤의 움직임은 완전히 멈추는 것이 아니라 0보다 약간 더 높은 숫자로 점차 가늘어집니다.
그리고 그 숫자는 작지만 중요합니다. 로시는 "모든 것이 얼어붙어야 할 때인 아주 낮은 온도에서도 이런 움직임이 일어난다는 것을 발견한 것은 놀라운 일이었습니다."라고 설명했습니다.
다음 프런티어: 초전도성 및 페이슨 이미징 그의 다음 단계에는 페이손 준입자에서 발생할 수 있는 꼬인 이중층 그래핀 의 초전도성을 조사하는 것이 포함됩니다 . 로시는 현재 이탈리아 공과대학 NEST의 나노기술 혁신 센터에서 연구를 하고 있습니다. 라자는 다양한 반도체 및 모아레 시스템을 탐구하는 데 관심이 있습니다. 그녀는 또한 페이슨을 직접 이미징할 가능성에 흥미를 느낍니다. 그녀는 "여기서 우리의 증거는 (중간층) 엑시톤의 확산을 통해 얻은 것이지만, 우리는 아직 페이슨을 직접 포착하지 못했습니다."라고 말했습니다.
참고 자료: Antonio Rossi, Jonas Zipfel, Indrajit Maity, Monica Lorenzon, Medha Dandu, Elyse Barré, Luca Francaviglia, Emma C. Regan, Zuocheng Zhang, Jacob H. Nie, Edward S. Barnard, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Eli의 " WS 2 /WSe 2 모아레 이종 구조의 변칙적인 중간층 여기자 확산" Rotenberg, Feng Wang, Johannes Lischner, Archana Raja 및 Alexander Weber-Bargioni, 2024년 7월 1일, ACS Nano . DOI: 10.1021/acsnano.4c00015 Molecular Foundry는 Berkeley Lab의 DOE 과학 사무국 사용자 시설입니다. 이 작업은 부분적으로 DOE 과학 사무국의 지원을 받았습니다.
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메모 2503260648_소스1.분석중
_[3-2】모아레 퍼텐셜을 msbase.mod에 놓으면 상하에 엑시톤이 각도와 온도에 따라 변화는 것을 알 수 있으리라. 허허.
이 상황극은 3-3.)예상치 못하게도 시스템 온도가 0에 가까워지면서 층간 엑시톤의 움직임은 완전히 멈추는 것이 아니라 0보다 약간 더 높은 숫자로 점차 가늘어진다. 그리고 그 숫자 1단위로는 비록 작지만 중첩을 유도하는 솔리톤의 속성상 글루온이나 광자 처럼 양성자 전자간 down/up 쿼크간 매개값으로써 중요한 역할을 한다.
과학자들은 물리학이 없다고 말한 곳에서 입자운동을 발견했다. 수학자들이 모아레 패턴 모드와 유사한 msbase가 nk2에서 멈췄다고 생각한 곳에서 나는 1987년 보기1. oss.zerosum에서 암흑물질계의 거대한 암흑은하들을 발견하였음이여. 허허.
보기1.
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