POSTECH-IBS 연구팀, ‘훈트금속의 양자결맞음 과정’ 직접 관찰

가 -가 +

이성현 기자
기사입력 2021-03-02 [09:49]

【브레이크뉴스 경북 포항】이성현 기자=POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환)은 화학과 심지훈 교수·장보규 박사 연구팀과 IBS 강상관계물질연구단 김창영 교수·한가람 박사 연구팀은 각분해 광전자 분광법을 사용해 강상관계 물질인 NiS2-xSex의 전자 띠구조가 뒤틀리는 현상을 발견하고, 이 현상이 셀레늄(Se) 도핑 정도에 따라 변하는 것을 확인했다고 2일 밝혔다.

 

▲ 장보규(POSTECH, 공동 제1저자), 한가람(IBS, 공동 제1저자), 심지훈 교수(POSTECH, 공동 교신저자), 김창영 교수(IBS, 공동 교신저자)  © POSTECH


또한, 제일원리계산을 통해 이러한 뒤틀림이 훈트 상호작용 때문이며 물질 고유의 양자결맞음 현상과 연관된다는 사실도 최초로 밝혔다. 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 최근 게재됐다.

 

강상관계 물질이란 전자 간의 강한 상호작용으로, 일반적인 도체나 부도체에서 보이지 않는 특이한 현상을 나타내는 물질들을 말한다. 금속-부도체 전이 현상이나 높은 온도에서 저항이 0이 되는 고온초전도 현상이 그 대표적인 예다. 그간 이런 전자의 강한 상호작용 및 이들의 양자결맞음 현상을 설명하기 위한 연구는 있었지만, 이론과 실험을 통해 이들 에너지 스케일의 변화를 직접 관찰한 사례는 없었다.

 

지금까지는 보통 하나의 에너지 띠에서 일어나는 전자의 상호작용만으로 강상관계 물질에서 일어나는 특이한 현상을 설명해왔다. 하지만 대부분의 물질은 여러 개의 에너지 띠를 가지며, 이 때문에 고려해야 하는 훈트 상호효과를 이해하는 데 한계가 있었다.

 

▲ Se 도핑 x에 따른 전자 구조의 변화. 낮은 에너지 영역에서 띠구조의 기울기가 갑작스럽게 변화하는 뒤틀림 (kink)가 관찰되며, Se의 양을 줄여감에 따라 점점 더 낮은 에너지 영역으로 움직이는 것을 볼 수 있다. 이러한 뒤틀림 (kink)의 에너지 스케일은 제일원리계산을 통해 물질 고유의 양자결맞음 스케일과 직접 연관됨을 확인했다.  © POSTECH


연구팀은 훈트금속인 NiS2-xSex 물질에서 셀레늄(Se) 도핑을 조절함으로써 전자 간 상호작용의 세기를 조절했다. 그 결과, 낮은 온도에서 전자 띠구조의 뒤틀림 현상을 확인하였고, 이들의 양자결맞음 에너지 스케일이 Se양에 따라 바뀌는 것과 직접적으로 연관이 있음을 밝혀냈다.

 

이 연구는 하나의 에너지 띠만을 가정한 기존의 연구가, 훈트 상호작용이 중요한 역할을 하는 다(多) 에너지 띠 시스템에서는 수정돼야 한다는 점을 제시함과 동시에, 물질 고유의 양자결맞음 에너지 스케일을 낮은 온도에서 전자구조를 통해 직접 관찰한 연구로 학계의 주목을 받고 있다.

 

한편, SRC 양자동역학 연구센터, 나노·미래 소재 원천기술 개발사업, IBS 사업단의 지원으로 수행됐다.

 

<아래는 구글번역기로 번역한 기사 전문이다.>

 

 POSTECH-IBS research team directly observes the'quantum coherence process of Hunt Metal'


[Break News Pohang, Gyeongsangbuk-do] Reporter Seong-Hyun Lee = POSTECH (Pohang University of Science and Technology, President Moo-Hwan Kim) is the research team of Professor Ji-Hoon Shim and Dr. Bo-Gyu Jang of the Department of Chemistry, and the research team of Professor Chang-Young Kim and Garam Han of the IBS Research Center for Strong Correlated Materials use angular decomposition photoelectron spectroscopy. It was revealed on the 2nd that it was discovered that the electron band structure of NiS2-xSex is distorted, and that this phenomenon changes according to the degree of selenium (Se) doping.

 

In addition, it was revealed for the first time that this distortion is due to Hunt interaction and is related to the quantum coherence phenomenon inherent in matter through the first-principle calculation. The results of this study were recently published in the international academic journal "Nature Communications."

 

Strongly correlated substances are substances that exhibit unusual phenomena that are not seen in general conductors or non-conductors through strong interactions between electrons. A typical example is a metal-insulator transition phenomenon or a high-temperature superconducting phenomenon in which the resistance becomes zero at high temperatures. There have been studies to explain the strong interaction of electrons and their quantum coherence, but there has been no case of directly observing the change of these energy scales through theory and experimentation.

 

Until now, unusual phenomena that occur in strongly correlated substances have been explained only by the interaction of electrons that usually occur in one energy band. However, most materials have multiple energy bands, and this has limited understanding of the Hunt interactions that should be considered.

 

The research team controlled the intensity of electron-to-electron interactions by controlling selenium (Se) doping in the Hunt metal NiS2-xSex material. As a result, it was confirmed that the distortion of the electron band structure at a low temperature was observed, and it was found that their quantum coherence energy scale was directly related to the change according to the amount of Se.

 

This study suggests that the existing studies that assumed only one energy band should be modified in a multi-energy band system in which the Hunt interaction plays an important role, while reducing the quantum coherence energy scale inherent in matter. It is attracting attention from academia for its direct observation through electronic structures at temperature.

 

On the other hand, it was carried out with the support of the SRC Yang-Automatic Mechanics Research Center, the nano-future material source technology development project, and the IBS project group.

이성현 기자의 다른기사보기
트위터 페이스북 카카오톡 카카오스토리 band naver 텔레그램 URL복사
URL 복사
x

PC버전 맨위로 갱신

Copyright ⓒ 브레이크뉴스대구경북. All rights reserved.