연구는 종종 다단계 과정으로 전개됩니다. 하나의 질문에 대한 해결책은 더 많은 질문을 촉발할 수 있으며, 과학자들이 더 많은 접근 방식을 취하고 여러 가지 다른 관점에서 더 큰 문제를 보도록 영감을 줄 수 있습니다. 이러한 프로젝트는 다양한 팀과 기관의 성장에 따라 전문 지식과 역량을 활용하는 협업의 촉매제가 될 수 있습니다.
반세기 동안 과학자들은 1T 상 이황화탄탈륨(1T-TaS)의 신비를 탐구해 왔습니다.2), 초전도성 및 전하밀도파(CDW)와 같은 몇 가지 흥미로운 양자 특성을 지닌 무기층 재료입니다.
이 물질의 복잡한 구조와 거동을 밝혀내기 위해 슬로베니아의 Jozef Stefan Institute와 프랑스의 Université Paris-Saclay 연구원들은 국립 싱크로트론 광원 II(NSLS-II)에서 PDF(Pair Distribution Function) 빔라인을 활용하는 전문가들에게 연락했습니다. ), DOE의 Brookhaven 국립 연구소에 위치한 미국 에너지부(DOE) 과학 사용자 시설 사무국을 방문하여 물질의 구조에 대해 자세히 알아보세요.
슬로베니아 팀은 수십 년 동안 이러한 종류의 자료를 연구해 왔지만 PDF가 제공할 수 있는 구체적인 구조적 특성이 부족했습니다.
이번 협력의 결과는 최근에 발표되었습니다. 자연 통신, 쌍 분포 함수 기술과 같은 로컬 구조 프로브로만 볼 수 있는 숨겨진 전자 상태를 드러냈습니다. 1T-TaS에 대한 보다 완전한 이해로2전자 상태로 인해 이 물질은 언젠가 데이터 저장, 양자 컴퓨팅 및 초전도성에서 역할을 할 수 있습니다.
더 좋은 지점이 더 나은 시야를 제공합니다
과학자들이 물질을 연구할 때 원자가 짧은 범위(10나노미터 규모)에 걸쳐 배열되는 방식을 보고 싶을 때도 있고, 마이크로미터 규모와 같은 긴 범위에 걸쳐 원자 구조의 패턴이 어떻게 반복되는지 확인하고 싶을 때도 있습니다. .
이러한 척도의 차이는 한 거리에 있는 몇 개의 서로 다른 건물을 보는 것과 여러 도시 블록에 걸쳐 건물이 배열되는 방식을 보는 것과 비슷합니다. 이러한 각 작업에는 매우 다른 관점이 필요합니다. 재료의 특성을 연구할 때 연구자는 특정 길이 척도에서만 특정 동작을 볼 수 있습니다.
리드 빔라인 과학자 Milinda Abeykoon은 "우리는 빔라인에서 여러 유형의 측정을 수행합니다."라고 설명했습니다. "보통 우리는 시료의 장거리 질서를 특성화하기 위해 X선 분말 회절(XRD)을 사용하지만, 이 물질에서는 흥미로운 특성으로 이어질 수 있는 단거리 질서 특징의 공존을 의심했기 때문에 PDF는 이런 종류의 구조적 특성화에 이상적입니다.
"빔라인에는 극저온 흐름과 열풍 송풍기 설정과 같은 특수 장비도 있는데, 이는 매우 넓은 온도 범위에서 이 물질의 미묘한 온도 의존적 특성을 발견하는 데 매우 중요했습니다."
"XRD를 사용하여 관찰하면 이상적인 장거리 정렬 시스템처럼 보이는 재료를 얻을 수 있지만 PDF를 사용하면 더 짧은 규모의 구조적 편차가 감지될 수 있습니다"라고 PDF 연구를 주도하는 과학자인 Emil Bozin은 말했습니다. Brookhaven 국립 연구소의 응집 물질 물리학 및 재료 과학(CMPMS) 부서이자 이 논문의 주요 저자 중 한 명입니다.
“이 기술을 적용하지 않았다면 이전에 사용된 모든 프로브가 놓쳤던 숨겨진 단거리 명령이 시스템에 실제로 있다는 것을 알 수 없었을 것입니다. 여기에는 중요한 지역적 구조적 측면이 있습니다.”
1T-TaS2: 놀라움이 가득한 레이어드 소재
전이금속 디칼코게나이드(TMD)는 원자적으로 얇은 층으로 구성된 재료 종류입니다. TMD는 두 층의 칼코겐(산소, 황, 셀레늄을 함유한 물질) 사이에 전이 금속이 있는 것이 특징입니다. 이러한 각 물질층의 두께는 원자 1개에 불과합니다. 이는 인간 머리카락 두께의 100만분의 1에 불과합니다.
1T-TaS의 경우2, 얇은 탄탈륨 층이 두 황 층 사이에 끼워져 있습니다. 각 물질은 고유한 층 구조를 가지고 있지만, 층이 결합되면 전자는 서로 다른 환경에서 상호 작용하여 새로운 특성을 생성합니다.
TMD는 냉각되면서 매혹적이면서도 복잡한 CDW를 보여주기 때문에 수십 년 동안 연구되어 왔습니다. CDW는 다양한 요인에 의해 유발될 수 있는 특정 장거리 정렬 전하 정렬입니다. 다양한 TMD 재료에서는 레이어가 미묘하게 다른 방식으로 쌓입니다. 구조 질서 자체가 어떻게 매우 구체적인 시스템을 생성하는지.
1T-TaS2 여러모로 특별해요. 다른 TMD와 마찬가지로 이 CDW를 나타내지만 금속으로 남아 전류를 잘 전도하는 다른 시스템과 달리 이 특정 시스템은 실제로 CDW 상태에서 절연됩니다.
CDW는 물질 내에서 반복 패턴을 형성하는 전자의 이동과 관련된 양자 현상입니다. 이러한 배열은 재료의 전자적 및 구조적 특성에 영향을 미치므로 메모리 저장, 센서 등 다양한 응용 분야에 적용할 수 있습니다. technology, 양자 컴퓨팅.
1T-TaS의 또 다른 주목할만한 특징2 양자스핀액체 후보물질이라는 점이다. 양자 스핀 액체는 상자성 시스템입니다. 즉, 해당 물질에는 장거리 자기 질서가 없습니다. 양자 변동으로 인해 낮은 온도에서도 스핀이 순서대로 이루어지지 않습니다. 이러한 물질은 양자 얽힘을 특징으로 하며, 이는 위상학적 양자 계산 분야의 연구자들의 관심을 끌었습니다.
Bozin은 “이것은 이론적 의미에서 깊이 탐구된 개념이지만 이러한 개념의 실제 시스템 구현에 대한 데이터는 거의 없습니다. 우리 연구에서 이 문제를 직접적으로 다루지는 않지만, 이는 이 자료를 매우 흥미롭게 만드는 주요 특징 중 하나입니다. 만약 이 물질의 이론적인 회전액체 상태가 실제로 안정화될 수 있다는 것이 입증된다면 양자정보과학의 세계에 새로운 가능성이 열리게 될 것입니다.”
새로운 단계에 빛나는 빛
“1T-TaS2 양자 컴퓨팅의 잠재력 때문에 흥미롭기만 한 것은 아닙니다. 보다 즉각적으로 실용적인 관심을 끄는 클래식 컴퓨팅 응용 프로그램도 있습니다.”라고 슬로베니아 Jozef Stefan Institute의 복합 문제 부서 책임자이자 이 논문의 주요 저자 중 한 명인 Dragan Mihailovic이 말했습니다.
“우리는 이 물질이 매우 짧은 빛이나 전기 펄스에 노출되었을 때 정말 놀라운 일을 한다는 것을 발견했습니다. 이러한 펄스는 CDW 내의 전하 구성을 변경하여 전기 저항이 크게 떨어질 수 있습니다.
“낮은 온도에서 이러한 변화는 '준안정' 전도 상태로 들어갈 수 있으며, 이는 제어 가능하게 절연 상태로 다시 전환될 수 있습니다. 여기에는 슬로베니아 팀이 기술 산업의 주요 업체들과 함께 이미 탐색을 시작한 메모리 저장과 같은 컴퓨팅 분야의 실용적인 응용 프로그램이 있습니다.
“주요 이점은 이러한 장치가 피코초 미만의 저항 스위칭 시간을 나타내고 아토줄(atto-Joule) 범위에서 기록적으로 낮은 손실을 갖는다는 사실에서 비롯됩니다. 1T-TaS 기반 '충전 구성 메모리' 장치와 같은 우수한 사이클링 및 스케일링 특성과 결합2 모든 종류의 저온 컴퓨팅 응용 분야에 매우 유망합니다.”
“PDF 기술을 사용하여 1T-TaS의 결정 구조 탐색2 넓은 온도 범위에서 우리는 몇 가지 매우 놀라운 관찰을 했습니다.”라고 Abeykoon은 말했습니다. "재료의 온도는 전자 구조를 변화시킵니다."
온도가 낮아지면 재료는 재료의 장거리 질서가 왜곡되고 변경되기 시작하는 CDW 상태로 들어갑니다. 빠른 광 펄스를 적용하면 준안정 상태가 되는 온도인 50K 미만에서는 재료가 인접한 탄탈륨 층을 결합하는 예상치 못한 구조적 왜곡을 나타냅니다. 이러한 왜곡은 펄스에 의해 생성된 오래 지속되는 상태를 달성하는 열쇠를 쥐고 있을 수 있습니다.
반대로 재료를 550K 이상으로 가열하면 CDW가 완전히 제거되어 재료가 왜곡되지 않게 됩니다.
놀랍게도 저온에서 나타나는 것과 유사한 단거리 왜곡은 CDW 상태보다 훨씬 높은 온도에서도 국부적으로 지속된다고 Abeykoon은 설명했습니다. "이 결과는 이 시스템에서 CDW 형성을 주도하는 것이 무엇인지에 대한 아이디어를 제공합니다."
이러한 고온 왜곡은 재료의 격자 구조를 통해 이동하고 국부적으로 상호 작용할 때 전자에 의해 생성된 준입자인 폴라론에서 발생합니다. 600K 이상에서는 시스템의 계층 구조가 되돌릴 수 없게 변경되기 시작합니다. 이는 한 유형의 황-탄탈륨-황 샌드위치 층의 균질한 적층에서 다른 모든 샌드위치 층이 그 유형을 변경하는 이종 스택으로 변환됩니다.
변화가 일어나면 폴라론의 수가 50% 감소합니다. 이는 폴라론이 원래의 1T-TaS에서 볼 수 있는 한 가지 유형의 샌드위치 층만 선호한다는 것을 의미합니다.2.
Mihailovic은 “이것은 CDW 주문 온도보다 훨씬 높은 폴라론의 존재에 대한 확실한 증거를 제공하며 이전에는 관찰된 적이 없습니다.”라고 말했습니다.
이 물질의 전하 순서(물질의 다양한 영역에서 밀도를 기반으로 생성되는 패턴 전자)는 전통적으로 예상했던 것과 완전히 다른 메커니즘에 의해 구동됩니다. 정렬에는 폴라론이 정렬된 상태로 결정화되는 과정이 포함됩니다. 이는 고체 결정 상태로 배열된 전자를 나타내는 "위그너 크리스탈(Wigner Crystal)"로 알려진 것과 유사합니다.
이 물질의 복잡한 전자 특성과 이를 제어하는 방법을 이해하면 전자, 감지 및 컴퓨팅 분야에 수많은 잠재적인 응용 분야가 열리지만 아직 배워야 할 것이 훨씬 더 많습니다. 초고속 레이저 펄스로 재료를 때릴 때 나타나는 이러한 숨겨진 상태는 과거에도 볼 수 있었지만 완전히 이해된 적은 없습니다.
연구팀은 원자 구조와 질서 있는 평형 구조와의 관계를 해독할 계획이다. 준안정 상태의 온도 의존적 특성은 아직 완전히 이해되지 않았습니다. 더 따뜻한 온도에서 하이테크 응용 분야를 위한 이 재료의 광학 및 전기 스위칭 기능을 완전히 실현하려면 연구자들은 이 상태에 대한 더 자세한 내용을 확인해야 합니다.
Bozin은 "이 시스템에는 지역 구조를 포함하여 아직 탐험되지 않은 영역이 여러 개 있습니다."라고 말했습니다. 우리의 연구에 따르면 이 시스템은 실제로 훨씬 더 복잡하며 처음부터 이미 복잡했습니다. 이 자료에는 계속해서 나오는 비밀이 있으며, 그 비밀은 수십 년 동안 계속될 것입니다.”