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응집물질물리학

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응집물질물리학
학문명응집물질물리학
학문 분야물리학

응집물질물리학(凝集物質物理學, 영어: condensed matter physics)은 원자와 전자 사이의 전자기력에서 비롯되는 물질의 거시적 및 미세적 물리적 성질, 특히 고체와 액체 상을 다루는 물리학 분야이다. 더 넓게는 물질의 응집상, 즉 구성 요소들 사이에 강한 상호작용이 존재하는 다체 계를 다룬다. 더 이색적인 응집상으로는 극저온에서 일부 재료가 나타내는 초전도 현상, 결정 격자상 원자들의 스핀이 나타내는 강자성 및 반강자성 상, 초저온 원자 계에서 발견되는 보스-아인슈타인 응축, 그리고 액정 등이 있다. 응집물질물리학자들은 다양한 재료의 특성을 측정하는 실험과 양자역학, 전자기학, 통계역학 및 기타 이론물리학의 자연 법칙을 적용하여 수학적 모델을 개발하고 거대한 원자 집단의 성질을 예측함으로써 이러한 상들의 거동을 이해하고자 노력한다.[1]

연구 가능한 시스템과 현상의 다양성으로 인해 응집물질물리학은 현대 물리학에서 가장 활발한 분야이다. 미국 물리학자의 3분의 1이 자신을 응집물질물리학자로 분류하며,[2] 응집물질물리학 분과는 미국 물리학회에서 가장 규모가 크다.[3] 여기에는 각각 물질의 양자적 특성과 비양자적 물리 특성을 연구하는 고체물리학자와 연성물질물리학자가 포함된다.[4] 두 유형 모두 광범위한 재료를 연구하며, 많은 연구, 자금 지원 및 고용 기회를 제공한다.[5] 이 분야는 화학, 재료과학, 공학 및 나노 기술과 겹치며, 원자물리학 및 생물리학과 밀접하게 관련되어 있다. 응집물질의 이론물리학은 입자물리학 및 핵물리학과 중요한 개념 및 방법을 공유한다.[6]

결정학, 금속공학, 탄성, 자기 등 물리학의 다양한 주제들은 1940년대에 고체물리학으로 그룹화되기 전까지 별개의 영역으로 다루어졌다. 1960년대 무렵 액체의 물리적 성질에 대한 연구가 이 목록에 추가되어 더 포괄적인 전문 분야인 응집물질물리학의 기초를 형성했다.[7] 벨 연구소는 응집물질물리학 연구 프로그램을 수행한 최초의 기관 중 하나였다.[7] 막스 플랑크 고체 연구소의 창립 이사인 물리학 교수 마누엘 카르도나에 따르면, 현대 응집물질물리학 분야를 창시한 사람은 알베르트 아인슈타인이다. 그는 광전자 분광학과 광발광 분광학 분야를 연 광전 효과 및 광발광에 관한 1905년 논문을 시작으로, 나중에는 결정의 열역학적 성질, 특히 비열에 대한 격자 진동의 효과를 처음으로 도입한 1907년 고체 비열에 관한 논문을 발표했다.[8] 예일 양자 연구소의 부소장인 A. 더글러스 스톤 또한 양자역학의 종합적인 역사에 관한 그의 저서에서 아인슈타인의 우선권을 비슷하게 주장한다.[9]

어원

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물리학자 필립 워런 앤더슨에 따르면, 연구 분야를 지칭하기 위해 "응집물질"이라는 용어를 사용한 것은 그와 폴커 하이네가 1967년에 케임브리지 캐번디시 연구소의 그룹 이름을 '고체 이론'에서 '응집물질 이론'으로 바꾸면서 시작되었다.[10] 그들은 이 명칭이 액체, 핵물질 등에 대한 그들의 관심을 더 잘 포함한다고 느꼈기 때문이다.[11][12] 비록 앤더슨과 하이네가 "응집물질"이라는 이름을 대중화하는 데 기여했지만, 이 용어는 이미 유럽에서 몇 년 동안 사용되어 왔으며, 특히 1963년에 창간된 슈프링어 저널인 《Physics of Condensed Matter》에서 두드러지게 사용되었다.[13] "응집물질물리학"이라는 이름은 고체, 액체, 플라스마 및 기타 복잡한 물질을 다루는 물리학자들이 직면하는 과학적 문제의 공통성을 강조한 반면, "고체물리학"은 종종 금속과 반도체의 제한된 산업적 응용과 연관되었다. 1960년대와 70년대에 일부 물리학자들은 더 포괄적인 이 명칭이 당시의 자금 지원 환경과 냉전 정치에 더 잘 부합한다고 느꼈다.[14]

"응집" 상태에 대한 언급은 더 초기 소스에서 찾을 수 있다. 예를 들어, 야코프 프렌켈은 1947년 저서 《액체 운동론》(Kinetic Theory of Liquids)의 서문에서[15] "액체 운동론은 고체 운동론의 일반화이자 확장으로 개발되어야 한다. 사실, 이들을 '응집체'라는 명칭 아래 통합하는 것이 더 정확할 것이다"라고 제안했다.

역사

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고전물리학

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1908년 라이덴의 헬륨 액화 장치 옆에 있는 헤이커 카메를링 오너스와 요하너스 디데릭 판데르발스

물질의 응집 상태에 대한 초기 연구 중 하나는 19세기 초 험프리 데이비에 의해 이루어졌다. 데이비는 당시 알려진 40개의 원소 중 26개가 광택, 연성, 높은 전기 및 열 전도성과 같은 금속적 특성을 가지고 있음을 관찰했다.[16] 이는 존 돌턴의 원자설에서 원자가 돌턴의 주장처럼 더 이상 쪼갤 수 없는 것이 아니라 내부 구조를 가지고 있음을 시사했다. 데이비는 더 나아가 당시 기체로 믿어지던 질소와 수소가 적절한 조건에서 액화될 수 있으며, 그렇게 되면 금속처럼 행동할 것이라고 주장했다.[17][주 1]

1823년, 당시 데이비 실험실의 조수였던 마이클 패러데이는 염소 액화에 성공했고, 이어 질소, 수소, 산소를 제외한 알려진 모든 기체 원소를 액화했다.[16] 직후인 1869년, 토머스 앤드루스는 액체에서 기체로의 상전이를 연구하여 기체와 액체가 상으로서 구별되지 않는 상태를 설명하기 위해 임계점이라는 용어를 만들었다.[19] 네덜란드 물리학자 요하너스 디데릭 판데르발스는 훨씬 높은 온도에서의 측정을 바탕으로 임계 거동을 예측할 수 있게 해주는 이론적 틀을 제공했다.[20]: 35–38  1908년까지 제임스 듀어와 헤이커 카메를링 오너스는 각각 수소와 당시 새로 발견된 헬륨을 액화하는 데 성공했다.[16]

폴 드루드는 1900년에 금속 고체를 통과하는 고전적 전자에 대한 최초의 이론적 모델을 제안했다.[6] 드루드 모형은 자유 전자 기체의 관점에서 금속의 성질을 설명했으며, 비데만-프란츠 법칙과 같은 경험적 관찰을 설명한 최초의 미시적 모델이었다.[21][22]: 27–29  그러나 드루드 모형의 성공에도 불구하고, 금속의 비열과 자기적 성질에 대한 전자의 기여, 그리고 저온에서의 저항 온도 의존성을 정확하게 설명하지 못하는 중대한 문제가 있었다.[23]: 366–368 

1911년, 헬륨이 처음 액화된 지 3년 후, 라이덴 대학교에서 연구하던 오너스는 특정 온도 이하에서 수은의 전기 저항이 사라지는 것을 관찰하며 초전도 현상을 발견했다.[24] 이 현상은 당시 최고의 이론물리학자들을 완전히 놀라게 했으며, 수십 년 동안 설명되지 않은 채로 남았다.[25] 알베르트 아인슈타인은 1922년 당시의 초전도 이론에 대해 "복합 시스템의 양자역학에 대한 우리의 막대한 무지로 인해, 우리는 이러한 모호한 아이디어들로부터 이론을 구성하는 것과는 매우 거리가 멀다"고 말했다.[26]

양자역학의 등장

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드루드의 고전 모형은 볼프강 파울리, 아르놀트 조머펠트, 펠릭스 블로흐 및 다른 물리학자들에 의해 보완되었다. 파울리는 금속 내의 자유 전자가 페르미-디랙 통계를 따라야 함을 깨달았다. 이 아이디어를 사용하여 그는 1926년에 상자성 이론을 발전시켰다. 곧이어 조머펠트는 자유 전자 모형에 페르미-디랙 통계를 결합하여 열용량을 더 잘 설명할 수 있게 만들었다. 2년 후, 블로흐는 양자역학을 사용하여 주기적인 격자 내에서의 전자 운동을 설명했다.[23]: 366–368 

오귀스트 브라베, 예브그라프 표도로프 등이 발전시킨 결정 구조의 수학은 대칭군에 따라 결정을 분류하는 데 사용되었으며, 결정 구조 표는 1935년에 처음 발행된 《국제 결정학 표》(International Tables of Crystallography) 시리즈의 기초가 되었다.[27] 에너지 띠 구조 계산은 1930년에 새로운 재료의 성질을 예측하기 위해 처음 사용되었으며, 1947년에 존 바딘, 월터 하우저 브래튼, 위험 쇼클리가 최초의 반도체 기반 트랜지스터를 개발하며 전자공학의 혁명을 예고했다.[6]

벨 연구소에 있는 최초의 점접촉 트랜지스터 복제품

1879년, 존스 홉킨스 대학교에서 연구하던 에드윈 허버트 홀은 도체에 흐르는 전류와 그에 수직으로 인가된 자기장 모두에 횡방향인 전압이 도체에 발생하는 것을 발견했다.[28] 도체 내 전하 운반자의 특성으로 인해 발생하는 이 현상은 홀 효과라고 불리게 되었으나, 전자가 실험적으로 발견되기까지 18년이 더 걸렸기 때문에 당시에는 제대로 설명되지 못했다. 양자역학이 등장한 후, 레프 란다우는 1930년에 란다우 양자화 이론을 발전시켰고, 반세기 후에 발견된 양자 홀 효과에 대한 이론적 설명의 토대를 마련했다.[29]: 458–460 [30]

물질의 성질로서의 자기는 기원전 4000년 전부터 중국에 알려져 있었다.[31]: 1–2  그러나 자기에 대한 최초의 현대적 연구는 19세기 패러데이, 제임스 클러크 맥스웰 등에 의한 전자기학의 발전과 함께 시작되었으며, 여기에는 자화에 대한 반응에 따라 재료를 강자성, 상자성, 반자성으로 분류하는 것이 포함되었다.[32] 피에르 퀴리는 자화의 온도 의존성을 연구하여 강자성체에서의 퀴리점 상전이를 발견했다.[31] 1906년, 피에르 베이스는 강자성의 주요 성질을 설명하기 위해 자구의 개념을 도입했다.[33]: 9  자기에 대한 최초의 미시적 묘사 시도는 빌헬름 렌츠와 에른스트 이징이 이징 모형을 통해 수행했으며, 이는 자성 재료가 집단적으로 자화를 획득하는 스핀의 주기적 격자로 구성되어 있다고 묘사했다.[31] 이징 모형은 1차원에서 자발 자화가 발생할 수 없음을 보여주기 위해 정확하게 풀렸으며, 더 높은 차원의 격자에서는 가능하다는 것이 밝혀졌다. 블로흐의 스핀파 및 루이 네엘의 반강자성에 대한 추가 연구는 자기 저장 장치에 응용되는 새로운 자성 재료의 개발로 이어졌다.[31]: 36–38, g48 

현대 다체 물리학

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A magnet levitating over a superconducting material.
고온 초전도체 위에 떠 있는 자석. 오늘날 일부 물리학자들은 AdS/CFT 대응성을 사용하여 고온 초전도 현상을 이해하려고 노력하고 있다.[34]

조머펠트 모델과 강자성 스핀 모델은 1930년대 응집물질 문제에 대한 양자역학의 성공적인 적용을 보여주었다. 그러나 여전히 해결되지 않은 몇 가지 문제들, 특히 초전도 현상의 설명과 곤도 효과 등이 남아 있었다.[35] 제2차 세계 대전 이후, 양자장론의 몇 가지 아이디어가 응집물질 문제에 적용되었다. 여기에는 고체의 집단 들뜸 모드에 대한 인식과 준입자라는 중요한 개념이 포함되었다. 소련의 물리학자 레프 란다우는 이 아이디어를 페르미 액체 이론에 사용하여 상호작용하는 페르미온 시스템의 저에너지 특성을 현재 란다우 준입자라고 불리는 용어로 설명했다.[35] 란다우는 또한 연속 상전이에 대한 평균장 이론을 개발하여 질서상을 자발 대칭 깨짐으로 묘사했다. 이 이론은 또한 질서상 사이를 구별하기 위해 질서 매개변수의 개념을 도입했다.[36] 마침내 1956년에 존 바딘, 리언 쿠퍼, 존 로버트 슈리퍼는 격자의 포논에 의해 매개되는 반대 스핀을 가진 두 전자 사이의 아주 작은 인력이라도 쿠퍼 쌍이라는 속박 상태를 발생시킬 수 있다는 발견에 기초하여, 이른바 BCS 이론을 개발했다.[37]

양자 홀 효과: 외부 자기장의 함수로서 홀 저항률의 성분[38]: fig. 14 

임계 현상이라 불리는 상전이와 관측 가능량의 임계 거동에 대한 연구는 1960년대 주요 관심 분야였다.[39] 리오 카다노프, 벤자민 위덤 및 마이클 피셔는 임계 지수와 위덤 스케일링의 아이디어를 발전시켰다. 이러한 아이디어들은 1972년에 케네스 G. 윌슨에 의해 양자장론 맥락에서의 재규격화군 형식론 아래 통합되었다.[39]

양자 홀 효과는 1980년에 클라우스 폰 클리칭, 도르다, 페퍼가 홀 전도도가 기본 상수 의 정수배임을 관찰하면서 발견되었다.(그림 참조) 이 효과는 시스템 크기나 불순물과 같은 매개변수와 무관한 것으로 관찰되었다.[38] 1981년 이론가 로버트 B. 로플린은 예상치 못한 정수 평탄면의 정밀도를 설명하는 이론을 제안했다. 이는 또한 홀 전도도가 천 수라고 불리는 위상 불변량에 비례함을 시사했으며, 고체 띠 구조에 대한 이것의 관련성은 데이비드 J. 사울리스와 공동 연구자들에 의해 공식화되었다.[40][41]: 69, 74  곧이어 1982년에 호르스트 루트비히 슈퇴르머와 대니얼 추이는 전도도가 이제 상수 의 유리수 배가 되는 분율 양자 홀 효과를 관찰했다. 로플린은 1983년에 이것이 홀 상태에서의 준입자 상호작용의 결과임을 깨닫고 로플린 파동 함수라 명명된 변분법적 해결책을 공식화했다.[42] 분율 홀 효과의 위상적 성질에 대한 연구는 여전히 활발한 연구 분야로 남아 있다.[43] 수십 년 후, 데이비드 사울리스와 공동 연구자들이 발전시킨 앞서 언급한 위상 띠 이론은 더욱 확장되어 위상절연체의 발견으로 이어졌다.[44][45]

1986년, 카를 알렉산더 뮐러와 요하네스 게오르크 베드노르츠는 39 켈빈의 높은 온도에서 초전도 현상을 나타내는 최초의 고온 초전도체인 La2-xBaxCuO4를 발견했다.[46] 고온 초전도체는 전자-전자 상호작용이 중요한 역할을 하는 강상 관계 물질의 한 예임이 밝혀졌다.[47] 고온 초전도체에 대한 만족스러운 이론적 설명은 여전히 알려지지 않았으며, 강상 관계 물질 분야는 계속해서 활발한 연구 주제가 되고 있다.

2012년에 몇몇 그룹은 육붕화 사마륨이 초기 이론적 예측과 일치하는 위상절연체의 특성을 가지고 있음을 시사하는 사전 인쇄물을 발표했다.[48][49] 육붕화 사마륨은 확립된 곤도 절연체, 즉 강상 관계 전자 재료이기 때문에, 이 재료에서 위상적 디랙 표면 상태의 존재가 강한 전자 상관 관계를 가진 위상절연체로 이어질 것으로 기대된다.

이론

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이론 응집물질물리학은 물질의 상태에 대한 특성을 이해하기 위해 이론적 모델을 사용하는 것을 포함한다. 여기에는 드루드 모형, 띠구조 및 밀도범함수 이론과 같이 고체의 전자적 특성을 연구하기 위한 모델이 포함된다. 상전이 물리학을 연구하기 위해 긴즈부르크-란다우 이론, 임계 지수, 양자장론 및 재규격화군의 수학적 방법 사용과 같은 이론적 모델들도 개발되었다. 현대의 이론 연구는 전자 구조의 수치 계산과 고온 초전도체, 위상상 및 게이지 대칭과 같은 현상을 이해하기 위한 수학적 도구의 사용을 포함한다.

창발

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응집물질물리학의 이론적 이해는 창발이라는 개념과 밀접하게 관련되어 있는데, 이는 입자들의 복잡한 집합체가 개별 구성 요소와는 극적으로 다른 방식으로 행동하는 것을 말한다.[37][43] 예를 들어, 개별 전자와 격자의 미시적 물리학은 잘 알려져 있음에도 불구하고 고온 초전도와 관련된 다양한 현상들은 제대로 이해되지 않고 있다.[50] 마찬가지로, 집단 들뜸이 광자 및 전자와 같이 행동하여 전자기학을 창발적 현상으로 묘사하는 응집물질 시스템 모델들이 연구되어 왔다.[51] 창발적 성질은 재료 사이의 계면에서도 발생할 수 있다. 한 가지 예는 두 개의 띠 절연체가 결합하여 전도성과 초전도 현상을 만들어내는 란타넘 알루미네이트-스트론튬 타이타네이트 계면이다.

고체의 전자 이론

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금속 상태는 역사적으로 고체의 성질을 연구하기 위한 중요한 빌딩 블록이었다.[52] 금속에 대한 최초의 이론적 묘사는 1900년 폴 드루드의 드루드 모형에 의해 주어졌으며, 이는 금속을 당시 새로 발견된 전자의 이상기체로 묘사함으로써 전기적 및 열적 특성을 설명했다. 그는 경험적인 비데만-프란츠 법칙을 유도하고 실험과 밀접하게 일치하는 결과를 얻을 수 있었다.[22]: 90–91  이 고전 모형은 이후 전자의 페르미-디랙 통계를 결합한 아르놀트 조머펠트에 의해 개선되었으며, 비데만-프란츠 법칙에서 금속 비열의 변칙적인 거동을 설명할 수 있었다.[22]: 101–103  1912년, 막스 폰 라우에와 폴 크니핑은 결정의 엑스선 회절 패턴을 관찰하여 결정의 구조가 원자들의 주기적인 격자로부터 온다는 결론을 내리고 결정 고체의 구조를 연구했다.[22]: 48 [53] 1928년, 스위스의 물리학자 펠릭스 블로흐는 블로흐 정리로 알려진 주기함수 포텐셜을 가진 슈뢰딩거 방정식에 대한 파동 함수 해를 제공했다.[54]

다체 파동 함수를 풀어 금속의 전자적 특성을 계산하는 것은 종종 계산적으로 어렵기 때문에 의미 있는 예측을 얻기 위해 근사 방법이 필요하다.[55] 1920년대에 개발된 토머스-페르미 이론은 국소 전자 밀도를 변분법적 매개변수로 취급하여 시스템 에너지와 전자 밀도를 추정하는 데 사용되었다. 나중에 1930년대에 더글러스 하트리, 블라디미르 포크 및 존 슬레이터는 토머스-페르미 모델의 개선판으로서 이른바 하트리-폭 파동 함수를 개발했다. 하트리-폭 방법은 단일 입자 전자 파동 함수의 교환 통계를 설명했다. 일반적으로 하트리-폭 방정식을 푸는 것은 매우 어렵다. 오직 자유 전자 기체 사례만이 정확하게 풀릴 수 있다.[52]: 330–337  마침내 1964–65년에 월터 콘, 피에르 호엔베르그 및 루 제유 샴은 금속의 벌크 및 표면 특성에 대한 현실적인 묘사를 제공하는 밀도범함수 이론(DFT)을 제안했다. 밀도범함수 이론은 1970년대 이후 다양한 고체의 띠 구조 계산에 널리 사용되어 왔다.[55]

대칭 깨짐

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물질의 일부 상태는 물리학의 관련 법칙이 가진 어떤 형태의 대칭이 깨지는 대칭 깨짐을 나타낸다. 흔한 예는 연속적인 병진 대칭을 깨는 결정성 고체이다. 다른 예로는 회전대칭을 깨는 자화된 강자성체, 그리고 U(1) 위상 회전 대칭을 깨는 BCS 초전도체의 바닥 상태와 같은 더 이색적인 상태들이 있다.[56][57]

양자장론의 골드스톤 정리에 따르면, 연속적인 대칭이 깨진 시스템에는 골드스톤 보손이라고 불리는 임의로 낮은 에너지를 가진 들뜸이 존재할 수 있다. 예를 들어, 결정성 고체에서 이들은 격자 진동의 양자화된 버전인 포논에 해당한다.[58]

상전이

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상전이는 온도, 압력 또는 몰 조성과 같은 외부 매개변수의 변화에 의해 발생하는 시스템의 상 변화를 의미한다. 단일 성분 시스템에서 고전적 상전이는 시스템의 질서에 급격한 변화가 있는 온도(특정 압력에서)에서 발생한다. 예를 들어 얼음이 녹아 물이 될 때, 얼음의 질서 정연한 육각형 결정 구조는 수소 결합된 유동적인 물 분자 배열로 수정된다.

양자 상전이에서 온도는 절대 영도로 고정되며, 하이젠베르크의 불확정성 원리에서 비롯된 양자 요동에 의해 질서가 파괴될 때 압력이나 자기장과 같은 비열적 제어 매개변수가 상전이를 일으킨다. 여기서 시스템의 서로 다른 양자 상은 해밀턴 행렬의 뚜렷한 바닥 상태를 의미한다. 양자 상전이의 거동을 이해하는 것은 희토류 자기 절연체, 고온 초전도체 및 기타 물질의 특성을 설명하는 어려운 과제에서 중요하다.[59]

두 가지 부류의 상전이가 발생한다. 1차 전이와 2차 또는 연속 전이이다. 후자의 경우, 관련된 두 상은 임계점이라고도 불리는 전이 온도에서 공존하지 않는다. 임계점 근처에서 시스템은 임계 거동을 겪으며, 이때 상관 길이, 비열, 자기 감수율과 같은 몇 가지 성질이 기하급수적으로 발산한다.[59] 이러한 임계 현상은 일반적인 거시 규모 법칙이 해당 영역에서 더 이상 유효하지 않기 때문에 물리학자들에게 심각한 도전 과제를 제시하며, 시스템을 설명할 수 있는 새로운 법칙을 찾기 위해 새로운 아이디어와 방법이 발명되어야 한다.[60]: 75ff 

연속 상전이를 설명할 수 있는 가장 단순한 이론은 이른바 평균장 근사에서 작동하는 긴즈부르크-란다우 이론이다. 그러나 이는 장거리 미시적 상호작용을 수반하는 강유전체 및 제1종 초전도체에 대한 연속 상전이만을 대략적으로 설명할 수 있을 뿐이다. 임계점 근처에서 단거리 상호작용을 수반하는 다른 유형의 시스템의 경우 더 나은 이론이 필요하다.[61]: 8–11 

임계점 근처에서 요동은 광범위한 크기 척도에서 발생하는 반면, 전체 시스템의 특징은 척도 불변이다. 재규격화군 방법은 그 효과를 다음 단계로 유지하면서 단계적으로 가장 짧은 파장의 요동을 연속적으로 평균화한다. 따라서 서로 다른 크기 척도에서 보이는 물리적 시스템의 변화를 체계적으로 조사할 수 있다. 이 방법은 강력한 컴퓨터 시뮬레이션과 함께 연속 상전이와 관련된 임계 현상을 설명하는 데 크게 기여한다.[60]: 11 

실험

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실험 응집물질물리학은 재료의 새로운 특성을 발견하기 위해 실험적 탐침을 사용하는 것을 포함한다. 이러한 탐침에는 전기장 및 자기장의 효과, 응답 함수 측정, 수송 특성 및 온도 측정이 포함된다.[62] 일반적으로 사용되는 실험 방법으로는 엑스선, 적외선, 비탄성 중성자 산란과 같은 탐침을 이용한 분광학, 비열과 같은 열적 응답 연구, 그리고 열 및 열 전도를 통한 수송 측정이 있다.

단백질 결정으로부터의 엑스선 회절 패턴 이미지

산란

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여러 응집물질 실험은 엑스선, 광학 광자, 중성자 등과 같은 실험적 탐침을 재료의 구성 요소에 산란시키는 과정을 포함한다. 산란 탐침의 선택은 관심 있는 관측 에너지 척도에 따라 달라진다. 가시광선은 1 전자볼트(eV) 규모의 에너지를 가지며 유전율 및 굴절률과 같은 재료 특성의 변화를 측정하기 위한 산란 탐침으로 사용된다. 엑스선은 10 keV 정도의 에너지를 가지므로 원자 길이 척도를 탐침할 수 있으며, 전자 전하 밀도 및 결정 구조의 변화를 측정하는 데 사용된다.[63]: 33–34 

중성자 또한 원자 길이 척도를 탐침할 수 있으며 원자핵과 전자 스핀 및 자화(중성자는 스핀은 있지만 전하는 없으므로)로부터의 산란을 연구하는 데 사용된다. 쿨롱 및 모트 산란 측정은 전자빔을 산란 탐침으로 사용하여 수행할 수 있다.[63]: 33–34 [64]: 39–43  마찬가지로 양전자 소멸은 국소 전자 밀도의 간접적인 측정으로 사용될 수 있다.[65] 레이저 분광학은 매질의 미시적 특성을 연구하기 위한 훌륭한 도구로, 예를 들어 비선형 광학 분광학으로 매질 내의 금지된 전이를 연구하는 데 사용된다.[60] : 258–259 

외부 자기장

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실험 응집물질물리학에서 외부 자기장은 재료 시스템의 상태, 상전이 및 특성을 제어하는 열역학 변수 역할을 한다.[66] 핵자기 공명(NMR)은 개별 원자핵의 공명 모드를 찾기 위해 외부 자기장을 사용하는 방법으로, 이를 통해 원자, 분자 및 주변 환경의 결합 구조에 대한 정보를 제공한다. NMR 실험은 최대 60 테슬라 강도의 자기장에서 수행될 수 있다. 더 높은 자기장은 NMR 측정 데이터의 품질을 향상시킬 수 있다.[67]: 69 [68]: 185  양자 진동은 강한 자기장을 사용하여 페르미 표면의 기하학적 구조와 같은 재료 특성을 연구하는 또 다른 실험 방법이다.[69] 강한 자기장은 양자화된 자기 전기 효과, 이미지 자기 홀극, 반정수 양자 홀 효과와 같은 다양한 이론적 예측의 실험적 검증에 유용할 것이다.[67]: 57 

자기 공명 분광학

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초미세 결합을 통해 원자핵과 전자의 주변 세부 사항에 매우 민감한 전자 스핀 공명(EPR) 및 핵자기 공명(NMR)과 같은 자기 공명 방법으로 응집물질의 국소 구조뿐만 아니라 가장 가까운 이웃 원자의 구조를 조사할 수 있다. 국소화된 전자와 원자핵의 특정 안정 또는 불안정 동위원소는 이러한 초미세 상호작용의 탐침이 되며, 이는 전자 또는 핵 스핀을 국소 전기장 및 자기장에 결합시킨다. 이러한 방법들은 결함, 확산, 상전이 및 자기 질서를 연구하는 데 적합하다. 일반적인 실험 방법에는 NMR, 핵사중극 공명(NQR), 뮤온 스핀 분광학(SR) 사례와 같은 주입된 방사성 탐침, 뫼스바우어 분광학, NMR 및 방향성 상관 분석(PAC)이 포함된다. PAC는 방법의 온도 독립성으로 인해 2000 °C 이상의 극한 온도에서 상 변화를 연구하는 데 특히 이상적이다.

초저온 원자 기체

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초저온 루비듐 원자 기체에서 관찰된 최초의 보스-아인슈타인 응축. 파란색과 흰색 영역은 더 높은 밀도를 나타낸다.

광학 격자에 초저온 원자를 가두는 것은 응집물질물리학과 원자 분자 광 물리학에서 흔히 사용되는 실험 도구이다. 이 방법은 광학 레이저를 사용하여 격자 역할을 하는 간섭 패턴을 형성하고, 여기에 이온이나 원자를 매우 낮은 온도로 배치하는 것을 포함한다. 광학 격자 내의 저온 원자는 양자 시뮬레이터로 사용된다. 즉, 기하학적으로 쩔쩔매는 자석과 같이 더 복잡한 시스템의 거동을 모델링할 수 있는 제어 가능한 시스템 역할을 한다.[70] 특히, 미리 지정된 매개변수를 가진 허바드 모델을 위한 1, 2, 3차원 격자를 설계하고 반강자성 및 스핀 액체 질서에 대한 상전이를 연구하는 데 사용된다.[71][72][43]

1995년에 170 nK의 온도로 냉각된 루비듐 원자 기체가 사티엔드라 나트 보스와 알베르트 아인슈타인에 의해 원래 예측되었던, 다수의 원자가 하나의 양자 상태를 점유하는 새로운 물질 상태인 보스-아인슈타인 응축을 실험적으로 구현하는 데 사용되었다.[73]

응용

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풀러렌 분자로 만들어진 나노 기어의 컴퓨터 시뮬레이션. 나노 과학의 발전이 분자 규모에서 작동하는 기계로 이어지기를 기대하고 있다.

응집물질물리학 연구는[43][74] 반도체 트랜지스터의 개발,[6] 레이저 기술,[60] 자기 저장, 액정, 광섬유[75] 및 나노 기술의 맥락에서 연구되는 여러 현상과 같은 다양한 장치 응용으로 이어졌다.[76]: 111ff  주사 터널링 현미경과 같은 방법은 나노미터 규모에서 공정을 제어하는 데 사용될 수 있으며, 나노 제조 연구를 촉진했다.[77] 이러한 분자 기계는 예를 들어 노벨 화학상 수상자인 베르나르트 페링하, 장피에르 소바주 및 프레이저 스토더트에 의해 개발되었다. 페링하와 그의 팀은 분자 자동차, 분자 풍차 등과 같은 다양한 분자 기계를 개발했다.[78]

양자 정보 과학에서 정보는 양자 비트 또는 큐비트로 표현된다. 큐비트는 유용한 계산이 완료되기 전에 빠르게 양자 결어긋남을 겪을 수 있다. 양자 컴퓨팅이 실현되기 위해서는 이 심각한 문제가 해결되어야 한다. 이 문제를 해결하기 위해 응집물질물리학에서는 조지프슨 접합 큐비트, 자성 재료의 스핀 방향을 이용한 스핀트로닉스 큐비트, 분율 양자 홀 효과 상태의 위상적 비가환 애니온 등 여러 유망한 접근 방식이 제안되고 있다.[77]

응집물질물리학은 또한 생물의학에도 중요한 용도가 있다. 예를 들어, 자기공명영상은 전통적인 엑스선 영상으로는 볼 수 없는 연조직 및 기타 생리학적 특징의 의료 영상 촬영에 널리 사용된다.[77]

같이 보기

[편집]

각주

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내용주
  1. ↑ 수소와 질소는 그 후 모두 액화되었으나, 일반적인 액체 질소와 수소는 금속적 특성을 가지지 않는다. 물리학자 유진 위그너와 힐러드 벨 헌팅턴은 1935년에 충분히 높은 압력(25 GPa 이상)에서 금속성 수소 상태가 존재할 것이라고 예측했으나,[18] 이는 아직 관찰되지 않았다.
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