광고
광고
광고
광고
광고
광고
광고
광고
광고
광고
광고
광고
광고
로고

[양자컴퓨터] 비 전통적인 초전도체가 양 컴퓨터를 구축하는 새로운 방법을 열 수 있다. 메릴랜드대학(UMD) 양자재료센터(QMC)의 연구원들과 동료들은 우라늄 디텔루라이드(줄여서 UTe2)가 위상 초전도체의 많은 특징을 새로운 방식을 열 수 있는 재료로 표시한다는 것을 보여주었다. 이는 양자컴퓨터 및 기타 미래형 장치를 구축한다.

https://scitechdaily.com/unconventional-superconductor-may-unlock-new-ways-to-build-quantum-computers/

JM Kim | 기사입력 2021/07/21 [00:00]

[양자컴퓨터] 비 전통적인 초전도체가 양 컴퓨터를 구축하는 새로운 방법을 열 수 있다. 메릴랜드대학(UMD) 양자재료센터(QMC)의 연구원들과 동료들은 우라늄 디텔루라이드(줄여서 UTe2)가 위상 초전도체의 많은 특징을 새로운 방식을 열 수 있는 재료로 표시한다는 것을 보여주었다. 이는 양자컴퓨터 및 기타 미래형 장치를 구축한다.

https://scitechdaily.com/unconventional-superconductor-may-unlock-new-ways-to-build-quantum-computers/

JM Kim | 입력 : 2021/07/21 [00:00]

비전통적인 종류의 초전도체를 찾는 과학자들은 지금까지 발견한 초전도체 중 가장 강력한 증거를 제시했다. 한 쌍의 논문에서 메릴랜드 대학(UMD) 양자재료센터(QMC)의 연구원들과 동료들은 우라늄 디텔루라이드(줄여서 UTe2)가 위상 초전도체의 많은 특징을 새로운 방식을 열 수 있는 재료로 표시한다는 것을 보여주었다. 이는 양자컴퓨터 및 기타 미래형 장치를 구축한다.  

"자연은 사악할 수 있다." UMD의 물리학 교수이자 QMC의 이사이자 한 논문의 수석 저자인 Johnpierre Paglione은 말한다. "우리가 이 모든 괴상한 것들을 보는 다른 이유가 있을 수 있지만 솔직히, 내 경력에서 나는 그런 것을 본 적이 없다."

 

모든 초전도체는 저항 없이 전류를 전달한다. 그것은 일종의 그들의 것이다. 벽 뒤의 배선은 이 위업에 필적할 수 없다. 이는 수십 년 동안 MRI 기계 및 기타 과학 장비에 일반 구리선이 아닌 대형 초전도선 코일이 사용된 많은 이유 중 하나이다.

 

 메릴랜드 대학 양자 재료 센터의 연구원들이 성장한 유망한 위상 초전도체의 결정이미지출처: Sheng Ran/NIST  

 

그러나 초전도체는 다른 방식으로 초전도성을 달성한다. 2000년대 초반부터 과학자들은 실제로 전류를 운반하는 아원자 입자의 복잡한 안무에 의존하는 특별한 종류의 초전도체를 찾고 있다.  

이 안무에는 토폴로지라는 수학의 한 분야인 놀라운 감독이 있다. 토폴로지는 밀고 당기기를 통해 부드럽게 서로 변형될 수 있는 모양을 함께 그룹화하는 방법이다. 예를 들어, 반죽 공은 한 덩어리의 빵이나 피자 파이로 만들 수 있지만 구멍을 뚫지 않고는 도넛으로 만들 수 없다. 결론은 위상학적으로 말하면 덩어리와 파이는 동일하지만 도넛은 다르다는 것이다. 위상 초전도체에서 전자는 도넛 중앙에 있는 구멍과 유사한 것을 도는 동안 서로 춤을 춘다.

 

불행히도, 초전도체를 열어서 이러한 전자 춤 동작을 확대할 수 있는 좋은 방법은 없다현재 추상 도넛에서 전자가 부기하고 있는지 여부를 알 수 있는 가장 좋은 방법은 실험에서 물질이 어떻게 행동하는지 관찰하는 것이다. 지금까지 초전도체는 위상학적으로 결정적으로 밝혀지지 않았지만 새로운 논문에 따르면 UTe2는 올바른 종류의 위상학적 오리처럼 보이고, 수영하고, 돌팔이처럼 보인다.

 

Paglione의 팀이 Stanford University Aharon Kapitulnik 그룹과 공동으로 수행한 한 연구에 따르면 UTe2에는 한 종류가 아닌 두 종류의 초전도가 동시에 존재한다는 것이 밝혀졌다. 이 결과와 빛이 물질에서 반사될 때 빛이 변경되는 방식을 사용하여(이전에 발표된 실험적 증거에 추가하여) 그들은 존재하는 초전도 유형을 두 가지 옵션으로 좁힐 수 있었다. 위상적이다. 그들은 연구 결과를 2021 7 15 Science 저널에 발표했다.

 

또 다른 연구에서 UMD의 물리학 교수이자 QMC 회원인 Steven Anlage가 이끄는 팀은 동일한 물질의 표면에서 비정상적인 거동을 밝혀냈다. 그들의 발견은 위상학적으로 보호된 마조라나 모드의 오랫동안 추구해 온 현상과 일치한다. 전자의 절반처럼 행동하는 이국적인 입자인 마조라나 모드는 위상 초전도체의 표면에서 발생할 것으로 예상된다. 이 입자는 강력한 양자 컴퓨터의 기초가 될 수 있기 때문에 특히 과학자들을 흥분시킨다. Anlage와 그의 팀은 2021 5 21 Nature Communications 저널에 발표된 논문에서 결과를 보고했다.

 

초전도체는 물이 섭씨 0도 이하에서만 어는 것과 같이 특정 온도 이하에서만 고유한 특성을 나타낸다일반 초전도체에서 전자는 금속을 통해 서로를 따라 2인칭 콩가선으로 쌍을 이룬다. 그러나 드문 경우지만 전자 쌍은 서로를 중심으로 원형 춤을 추며 왈츠에 더 가깝다. 토폴로지의 경우는 훨씬 더 특별하다. 전자의 원형 춤에는 소용돌이가 포함되어 있다. 마치 허리케인의 소용돌이치는 바람 속에 있는 눈과 같다. 전자가 이러한 방식으로 짝을 이루면 소용돌이를 제거하기 어렵다. 이는 위상 초전도체를 단순하고 맑은 날씨의 전자 춤을 가진 초전도체와 구별하는 이유이다.

 

2018년에 Paglione의 팀은 UMD의 물리학 겸임 부교수이자 NIST(National Institute of Standards and Technology)의 물리학자인 Nicholas Butch 팀과 협력하여 예기치 않게 UTe2가 초전도체 임을 발견했다. 그것이 바로 평범한 초전도체가 아니라는 것이 분명해졌다. 가장 주목할 만한 것은, 일반적으로 전자 댄스 커플을 분리하여 초전도성을 파괴하는 큰 자기장에 의해 위상이 바뀌지 않은 것처럼 보였다. 이것은 UTe2의 전자 쌍이 평소보다 더 단단히 서로를 붙잡고 있다는 첫 번째 단서였다. 이는 쌍의 춤이 원형이기 때문일 수 있다. 이것은 이 분야의 다른 사람들로부터 많은 관심과 추가 연구를 얻었다.

 

"완벽한 폭풍우 초전도체와 비슷하다."라고 Anlage는 말한다. "지금까지 아무도 결합된 것을 본 적이 없는 많은 다른 것들을 결합하고 있다."

 

새로운 Science 논문에서 Paglione과 그의 동료들은 UTe2의 내부 구조를 나타내는 두 가지 새로운 측정값을 보고했다. UMD 팀은 재료의 비열을 측정했는데, 이는 재료를 1도 가열하는 데 필요한 에너지의 양을 나타낸다. 그들은 다른 시작 온도에서 비열을 측정하고 샘플이 초전도체가 됨에 따라 비열이 변하는 것을 관찰했다.

 

"일반적으로 초전도 전이에서 비열이 크게 증가한다."라고 Paglione은 말한다. “그러나 우리는 실제로 두 번의 점프가 있음을 알 수 있다. 이것은 실제로 하나가 아닌 두 개의 초전도 전이의 증거이다. 그리고 그것은 매우 이례적인 일이다.”

 

두 번의 점프는 UTe2의 전자가 짝을 이루어 두 가지 별개의 춤 패턴 중 하나를 수행할 수 있음을 시사했다.

 

두 번째 측정에서 Stanford 팀은 레이저 빛을 UTe2 조각에 비추었고 다시 반사되는 빛이 약간 뒤틀린 것을 발견했다. 그들이 위아래로 흔들리는 빛을 보내면 반사된 빛은 대부분 위아래로 흔들리지만 약간 좌우로도 흔들린다. 이것은 초전도체 내부의 무엇인가가 빛을 비틀고 나가는 동안 빛을 풀지 않는다는 것을 의미했다.

 

스탠포드에 있는 Kapitulnik의 팀은 자기장이 UTe2를 강제로 빛을 왜곡시킬 수 있음을 발견했다. 샘플이 초전도체가 될 때 위쪽을 가리키는 자기장을 가하면 나오는 빛이 왼쪽으로 기울어진다. 자기장을 아래로 향하게 하면 빛이 오른쪽으로 기울어진다이것은 연구원들에게 샘플 내부에서 춤추는 전자의 경우 결정의 위아래 방향에 대해 특별한 것이 있음을 알려준다.

 

이 모든 것이 초전도체에서 춤추는 전자에 대해 의미하는 바를 분류하기 위해 연구원들은 이론가이자 Wisconsin-Milwaukee 대학의 물리학 교수이자 Science 논문의 공동 저자인 Daniel F. Agterberg의 도움을 받았다. 이론에 따르면, 우라늄과 텔루르 원자가 UTe2 결정 내부에 배열되는 방식으로 인해 전자 커플이 8가지 다른 춤 구성으로 팀을 이룰 수 있다. 비열 측정에서 두 개의 춤이 동시에 진행되고 있음을 보여주기 때문에 Agterberg는 이 여덟 개의 춤을 함께 짝짓기 위한 모든 다른 방법을 열거했다. 반사광의 뒤틀린 성질과 상하 축을 따른 자기장의 보자력은 가능성을 네 가지로 줄인다. 큰 자기장에서 UTe2의 초전도성의 견고성을 보여주는 이전 결과는 소용돌이를 형성하고 폭풍우가 치는 토폴로지 댄스를 나타내는 댄스 쌍 중 2개로만 제한했다.

 

재료의 초전도 특성이 위상학적인 경우 저항은 재료의 대부분에서 여전히 0이 되지만 표면에서는 고유한 일이 발생한다. Majorana 모드로 알려진 입자가 나타나 초전도체가 아닌 유체를 형성한다이러한 입자는 재료의 결함이나 환경의 작은 방해에도 불구하고 표면에 남아 있다. 연구원들은 이러한 입자의 독특한 특성 덕분에 양자 컴퓨터의 좋은 기반이 될 수 있다고 제안했다. 멀리 떨어져 있는 여러 마조라나로 양자 정보를 인코딩하면 정보가 지금까지 양자 컴퓨터의 골칫거리였던 국부적 교란에 사실상 면역이 된다.

 

Anlage의 팀은 UTe2의 표면을 보다 직접적으로 조사하여 이 마요라나 바다의 특징을 찾을 수 있는지 확인하고 싶었다. 이를 위해 그들은 UTe2 청크 쪽으로 마이크로파를 보내고 반대편에서 나오는 마이크로파를 측정했다. 그들은 샘플이 있는 경우와 없는 경우의 출력을 비교하여 벌크와 표면의 특성을 동시에 테스트할 수 있었다.

 

표면은 마이크로파의 강도에 대한 흔적을 남기고 입력과 동기화하여 위아래로 흔들리는 출력으로 이어지지만 약간 억제된다. 그러나 벌크는 초전도체이기 때문에 마이크로파에 대한 저항이 없고 강도가 변하지 않는다. 대신 속도가 느려져 출력이 입력과 동기화되지 않도록 위아래로 움직이는 지연이 발생한다. 반응의 동기화되지 않은 부분을 살펴봄으로써 연구원들은 다양한 온도에서 물질 내부의 전자가 짝을 이루는 춤에 참여하는 수를 결정했다. 그들은 그 동작이 Paglione의 팀이 제안한 원형 춤과 일치한다는 것을 발견했다.

 

아마도 더 중요한 것은 마이크로파 응답의 동기화 부분이 UTe2의 표면이 초전도체가 아니라는 것을 보여주었다는 것이다. 초전도체는 일반적으로 전염성이 있기 때문에 이것은 드문 일이다. 일반 금속을 초전도체에 가까이 두면 금속에 초전도성이 퍼진다. 그러나 UTe2의 표면은 위상 초전도체에 대해 예상되는 것처럼 벌크에서 초전도성을 포착하지 않고 대신 이전에 볼 수 없었던 방식으로 마이크로파에 반응했다.

 

Anlage "표면은 우리가 지금까지 본 어떤 초전도체와도 다르게 행동한다."라고 말한다. “그런 다음 질문은 '저 변칙적인 결과에 대한 해석은 무엇입니까?'이다. 그리고 다른 모든 데이터와 일치하는 해석 중 하나는 제거할 수 없는 초전도체를 감싸는 일종의 래퍼와 같은 토폴로지로 보호된 표면 상태가 있다는 것이다."

 

UTe2의 표면이 마요라나 모드의 바다로 덮여 있다고 결론을 내리고 승리를 선언하고 싶을 수도 있다. 그러나 특별한 주장에는 특별한 증거가 필요하다. Anlage와 그의 그룹은 그들이 관찰한 것에 대한 가능한 모든 대안적 설명을 제시하려고 노력했으며 표면의 산화에서 샘플의 가장자리에 부딪히는 빛에 이르기까지 그것들을 체계적으로 배제했다. 그러나 놀라운 대안적 설명이 아직 발견되지 않았을 가능성이 있다.

 

"머리 속으로는 항상 ', 우주선이였나', '어쩌면 다른 것이었나'라고 생각하게 된다."라고 Anlage는 말한다. "다른 모든 가능성을 100% 제거할 수는 없다."

 

Paglione의 입장에서 그는 연기가 나는 총이 양자 계산을 수행하기 위해 표면 Majorana 모드를 사용하는 것과 다를 바 없다고 말한다. 그러나 UTe2의 표면에 실제로 많은 Majorana 모드가 있더라도 현재로서는 이를 분리하고 조작할 수 있는 직접적인 방법이 없다. 이렇게 하는 것은 최근의 실험에서 사용된 (생성하기 쉬운) 결정 대신 UTe2 박막으로 더 실용적일 수 있다.

 

"박막을 만들기 위한 몇 가지 제안이 있다."라고 Paglione은 말한다. “우라늄이고 방사능이기 때문에 몇 가지 새로운 장비가 필요하다. 다음 작업은 실제로 우리가 영화를 키울 수 있는지 알아보는 것이다. 그리고 다음 작업은 장치를 만드는 것이다. 그래서 몇 년이 필요하지만 미친 것은 아니다.”

 

UTe2가 오랫동안 기다려온 위상 초전도체인지 아니면 오리처럼 수영하고 꽥꽥거리는 것을 배운 비둘기인지 여부에 상관없이 Paglione Anlage는 재료가 무엇을 저장하고 있는지 계속해서 발견하게 되어 기쁘다.

 

"재료에 멋진 물리학이 많이 있다는 것은 분명하다."라고 Anlage는 말한다. "표면의 마조라나인지 아닌지는 확실히 결과적인 문제이지만 가장 흥미로운 것은 새로운 물리학을 탐구하는 것이다."

 

 
양자컴퓨터, 우라늄 디텔루라이드(줄여서 UTe2), 초전도체 관련기사목록
광고
광고
광고
광고
광고
광고
광고
많이 본 기사