.Physicists discover an unusual chiral quantum state in a topological material
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.Physicists discover an unusual chiral quantum state in a topological material
물리학자들은 위상 물질에서 특이한 키랄 양자 상태를 발견했습니다
프린스턴 대학교 크레딧: Shafayat Hossain 및 Zahid Hasan
연구소 물체의 거울상과는 다른 특성인 카이랄성은 오랫동안 생물학, 화학, 물리학 분야의 과학자들을 사로잡아 왔습니다. 이 현상은 물체가 뚜렷하게 왼손잡이 또는 오른손잡이 형태를 갖는 것을 의미하기 때문에 "핸디드니스(handedness)"라고도 불립니다. 이는 분자와 아미노산부터 유명한 DNA 이중나선 구조, 그리고 달팽이 껍질의 나선형 패턴에 이르기까지 자연의 다양한 규모에서 발견되는 보편적인 특성입니다. 프린스턴 대학교 연구진은 이전에는 비키랄하다고 여겨졌던 물질에서 숨겨진 키랄 양자 상태를 발견했습니다.
이 발견은 물리학계 내에서 치열한 논쟁을 불러일으키고 양자 영역 에서 무엇이 가능한지에 대한 우리의 이해를 넓혀줍니다 . 프린스턴 대학의 물리학과 유진 히긴스 교수인 M. 자히드 하산이 이끄는 팀은 Nature Communications 에 최근 발표한 연구에서 새로 개발된 주사 광전류 현미경(SPCM)을 사용하여 카고메 격자 위상 물질인 KV₃Sb₅의 전하 밀도파 아래에 있는 이해하기 힘든 깨진 대칭성을 발견했습니다.
이들의 연구 결과는 이러한 물질이 자발적으로 대칭성을 깨고 키랄 양자 상태를 형성할 수 있는지에 대한 오랫동안 논란이 되어 온 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 발견은 새로운 양자 기술의 길을 열어줄 수 있습니다. 연구자들은 비위상 시스템에서도 비슷한 현상을 관찰했지만, 이러한 카이랄 대칭이 벌크 위상 양자 물질에서 깨진 것은 이번이 처음입니다. "이것은 마치 제임스 웹 망원경을 양자 세계에 대고 새로운 것을 발견하는 것과 같습니다."라고 하산은 말했다.
"우리는 마침내 위상 양자 물질에 숨겨져 있던 미묘한 양자 효과를 밝혀낼 수 있게 되었습니다." 카고메 격자는 모서리를 공유하는 삼각형으로 구성된 2차원 기하학적 패턴입니다. 일본에서 흔히 볼 수 있는 전통적인 대나무 바구니 무늬에서 이름을 따온 이 패턴은 오랫동안 독특한 양자 위상을 탐구하는 핵심 플랫폼으로 활용되어 왔습니다. 오랫동안 이 물질은 본질적으로 무차이랄성(무방향성)을 지닌 것으로 여겨졌는데, 이는 손잡이가 없다는 것을 의미합니다.
그러나 2021년, 하산 연구팀은 고해상도 주사터널링현미경(STM)을 사용하여 특정 조건에서 KV₃Sb₅가 전자 밀도의 주기적인 변조인 특이한 전하 밀도파를 자발적으로 형성한다는 것을 발견했습니다. 네이처( Nature) 에 논문으로 게재된 이 발견은 비키랄 카고메 격자(non-chiral Kagome lattice) 위에서 전하 질서 형태의 카이랄성이 나타날 수 있는지에 대한 흥미로운 의문을 제기했습니다. 이 논문은 제기된 여러 문제들 때문에 해당 분야에서 가장 많이 인용된 세 편의 논문 중 하나입니다. 물리학에서 자발적 전하 질서는 전하가 무작위적이지 않은 패턴을 형성할 때 발생하는 일종의 상전이(물처럼 얼음으로 변하는 현상)입니다. 본질적으로, 질서 있는 상태는 자발적 대칭성 깨짐이라고 알려진 과정을 통해 원래 무질서했던 상태에서 생성됩니다. 그러나 이러한 전이 과정에서 깨진 특정 대칭성을 감지하는 것은 특정 종류의 위상 물질에서 매우 어려운 것으로 드러났습니다. 이러한 양자 물질에서 좌선성과 우선성 양자 상태 사이의 미묘한 차이는 오랫동안 기존의 측정 기술로는 측정이 어려웠습니다.
KV 3 Sb 5 에서의 종방향 원형 광전도 효과 관찰 . 출처: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-58262-y
이 문제를 해결하기 위해, 논문의 공동 주저자인 대학원생 지자 청과 박사후 연구원 샤파야트 호세인은 원형 편광 빛에서 이 위상 물질의 비선형 전자기적 반응을 감지할 수 있는 주사 광전류 현미경을 설계했습니다.
이 현미경은 이러한 유형의 실험에 일반적으로 사용되어 온 주사터널링현미경(STM)과는 다릅니다. SPCM은 STM만큼 고해상도는 아니지만, 광학적으로 활성인 물질의 특성을 파악하고 국소적인 규모에서 광전류 거동을 연구하는 데 사용됩니다. STM과 SPCM을 결합하면 다체 양자 파동함수의 완전한 이미징을 얻을 수 있습니다. 하산은 "이러한 설정에서 우리는 특별히 설계된 양자 장치에 놓인 샘플에 코히어런트한 빛을 비추고 집중시킵니다. 빛이 샘플과 상호 작용하면서 우리가 측정할 수 있는 광전류가 생성됩니다."라고 말했습니다.
연구진은 전임 박사후 연구원인 치 장(Qi Zhang)과 함께 초정밀 양자 결정 소자를 제작하고 측정을 위해 이를 극저온인 4켈빈까지 냉각했습니다. 고온에서 광전류는 우향성 원형광과 좌향성 원형광 사이에서 아무런 선호도를 보이지 않았습니다. 그러나 물질이 전하 밀도 파동 전이 지점을 지나 냉각되면서 주목할 만한 변화가 발생했습니다. 광전류가 좌향성으로 바뀌었는데, 이는 원형 광전기 효과로 알려진 카이랄성의 명확한 특징입니다. 연구진은 먼저 격자에 우선적으로 우선원 간섭성 편광(우선향성)을 쬐고 그 전류를 측정했습니다. 그런 다음 좌선향성 빛을 쬐고 그 전류를 측정했습니다.
그 결과, 두 빛 사이에 매우 명확한 차이가 있음을 확인할 수 있었습니다. "저희의 측정은 깨진 반전과 거울 대칭을 직접적으로 밝혀내고, 전하 질서를 보이는 이 양자 물질의 위상학적 특성을 밝혀냈습니다."라고 Cheng은 말했습니다. "이것은 위상학적 물질에서 전하 정렬 상태의 고유한 카이랄 특성을 최초로 확립한 것입니다." 그럼에도 불구하고 이 현상에 대한 설명은 여전히 불분명합니다. 하산은 "이 현상은 확인했지만, 왜 발생하는지에 대한 엄밀한 이론은 아직 없습니다."라고 덧붙였습니다.
"아직 완전히 이해하지는 못했습니다." 그러나 그 함의는 기초 과학을 넘어선다. 하산에 따르면, 키랄 양자 상태는 언젠가 새로운 광전자 및 태양광 기술의 동력이 될 수 있다. 그는 "새로운 키랄 상태가 이전에 보고된 적이 없는 이처럼 뚜렷한 반응을 생성할 수 있다는 것은 놀라운 일입니다."라고 말했다. "이 연구는 또한 2차 전자기 측정이 위상 물질에서 미묘한 대칭성 붕괴를 감지하는 강력한 도구임을 보여줍니다." 대칭성 붕괴는 자연에서 질서 있는 상태의 출현을 설명하고, 그 과정이 어떻게 작동하는지 이해하는 것이 과학적 탐구의 근본적인 목표이기 때문에 중요합니다. 물리학에서 대칭성 이론은 우주를 지배하는 법칙이 특정 조건에서 일정하게 유지되는 틀입니다.
이러한 이론은 우주를 이해하는 데 필수적이며, 실제로 과학적 탐구의 발전에 근본적인 영향을 미칩니다. 하지만 현실 세계의 많은 부분은 사실 비대칭적입니다. 따라서 대칭성이 어떻게 그리고 어떤 조건에서 깨지는지 이해하는 것은 상전이, 자기 및 초전도, 위상학적 거동 등 물리학의 여러 개념을 이해하는 데 매우 중요합니다. 미래에 대해선 어떨까요? 하산은 낙관적입니다. "이건 시작일 뿐입니다. 이 민감한 도구들을 통해 앞으로 위상 양자 물질의 어떤 숨겨진 세계를 발견하게 될지 누가 알겠습니까."
추가 정보: Zi-Jia Cheng 외, Kagome 키랄 전하 순서와 관련된 깨진 대칭성, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-58262-y 저널 정보: Nature Communications , Nature 프린스턴 대학교 제공
https://phys.org/news/2025-05-physicists-unusual-chiral-quantum-state.html
메모 2505081114_소스1.분석중【】
1-1.
프린스턴 대학교 연구진은 이전에는 비키랄하다고 여겨졌던 물질에서 숨겨진 키랄 양자 상태를 발견했다. 이 발견은 물리학계 내에서 치열한 논쟁을 불러일으키고 양자 영역 에서 무엇이 가능한지에 대한 우리의 이해를 넓혀준다 .
_[3-1】대칭성은 보기1.oms.vix.ain=1에 나타난다. 비현실 세계인가? 비대칭성은 보기2.qms에서 나타난다. 매우 현실적인가?
본 논문의 연구 결과는 물질이 자발적으로 대칭성을 깨고 키랄 양자 상태를 형성할 수 있는지에 대한 오랫동안 논란이 되어 온 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있다고 보았다. 이 발견은 새로운 양자 기술의 길을 열어줄 수 있다.
양자 단위 상태의ㅠ보기1. 대칭성과 보기2. 비대칭성이 다양하게 조합되어 '집합형태를 가질 수 있다'는 것이 나의 판단이다. 말하자면 보기1.안에 보기2가 들어가 있거나, 그 반대의 포함관계 등비조합 상황극이 qpeoms.ems.i2ms.banc,band(*) 복잡계로 연출된다. 어허.
보기1.
sample 1.vix.a'6//vixx.a(b1,g3,k3,o5,n6)
b0acfd|~ |0000e0
000ac0|~|f00bde
0c0fab|~ |000e0d
e00d0c|~|0b0fa0
f000e0|~ |b0dac0
d0f000|~ |cae0b0
0b000f|~ |0ead0c
0deb00|~|ac000f
ced0ba|~|00f000
a0b00e|~|0dc0f0
0ace00|~|df000b
0f00d0|~|e0bc0a
보기2.
sample qoms (standard)
0000000011=2,0
0000001100
0000001100
0000010010
0001100000
0101000000
0010010000
0100100000
2000000000
0010000001
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