양자 스핀 액체 모형 기술 동향
2020-12-14
org.kosen.entty.User@7cd0ed44
이동진(voinarim)
1. 서론
응집물질물리학(condensed matter physics) 분야는 전자 간 상호작용의 크기를 기준으로 강(强)상관전자계(strongly correlated electronic system)와 약상관전자계(weakly correlated electronic system)로 분류할 수 있다[5]. 강상관전자계에 속하는 분야는 모트 절연체, 고온 초전도체, 다강체, 양자스핀 액체, 스커미온, 무거운 페르미온 등이고, 약상관전자계에 속하는 분야는 밴드 절연체, 반도체, 도체가 있다. 응집물질물리학에서 양자 자성(quantum magnetism) 분야는 고전적으로는 예측될 수 없는 강한 양자요동(quantum fluctuation) 현상이 매우 중요한 효과가 되어 나타나는 자석의 성질이다[1]. 양자자성 분야의 하위 그룹으로는 1) 양자스핀액체(quantum spin liquid, QSL), 2) 양자자성과 자유전자가 상호작용하며 나타나는 곤도(Kondo) 효과 분야, 3) 스핀 모멘트의 특이 정렬 상태 분야 등이 있다[5].
원자 안에 있는 전자는 자유전자처럼 이동하지 못하고 격자점에 고정되어 있으나, 이웃하고 있는 전자들의 스핀과 상호작용을 한다. 선호하는 상호작용의 형태에 따라 모든 스핀이 한쪽 방향으로 정렬한다면 강자성체가 되고, 격자 위의 스핀들이 서로 다른 방향으로 정렬하는 경우에 반강자성체가 된다. 하지만 격자 모양이 일반적인 4각형 격자가 아닌 삼각 격자의 경우엔 재미있는 현상이 발생한다. 삼각 격자에서 전자들은 모두 같은 스핀방향을 선호할 수는 있으나 모두 다른 스핀 방향을 가질 수 있는 방법이 없다. 예를 들어, 삼각격자에서 두 개의 꼭지점이 (+1)과 (-1)의 스핀 방향을 가질 경우에 세번째 꼭지점이 (+1) 혹은 (-1)의 스핀 상태를 가질 수 없다. 이때 세번째 꼭지점은 경쟁하는 상호작용이 동시에 만족될 수 없는 상태에 있게 되며 이를 스핀 쩔쩔맴(frustration)현상이라고 말한다[1]. 쩔쩔매는 상태에서 전자의 스핀은 (+1)도 되고 (-1)도 되는 양자중첩상태가 허용되며, 이러한 상태에서는 절대온도 0도(-273K)까지 냉각시켜도 스핀들이 어떠한 방향으로 정렬하지 않는다. 이러한 물질을 양자 스핀 액체라고 한다.
양자 스핀 액체는 1973년 처음으로 개념이 제안된 이후 양자통신 및 양자컴퓨팅에 큰 잠재력을 갖고 있는 것으로 알려져 집중적으로 연구되고 있다. 하지만 실험적 검증은 여전히 큰 과제로 남아있다. 본 보고서는 최근에 발표된 리뷰 논문을 중심으로 작성하였으며[1-4], 양자 스핀 액체 기술의 발전 현황 및 최근 연구 동향, 앞으로의 과제에 대해 살펴보고자 한다.
응집물질물리학(condensed matter physics) 분야는 전자 간 상호작용의 크기를 기준으로 강(强)상관전자계(strongly correlated electronic system)와 약상관전자계(weakly correlated electronic system)로 분류할 수 있다[5]. 강상관전자계에 속하는 분야는 모트 절연체, 고온 초전도체, 다강체, 양자스핀 액체, 스커미온, 무거운 페르미온 등이고, 약상관전자계에 속하는 분야는 밴드 절연체, 반도체, 도체가 있다. 응집물질물리학에서 양자 자성(quantum magnetism) 분야는 고전적으로는 예측될 수 없는 강한 양자요동(quantum fluctuation) 현상이 매우 중요한 효과가 되어 나타나는 자석의 성질이다[1]. 양자자성 분야의 하위 그룹으로는 1) 양자스핀액체(quantum spin liquid, QSL), 2) 양자자성과 자유전자가 상호작용하며 나타나는 곤도(Kondo) 효과 분야, 3) 스핀 모멘트의 특이 정렬 상태 분야 등이 있다[5].
원자 안에 있는 전자는 자유전자처럼 이동하지 못하고 격자점에 고정되어 있으나, 이웃하고 있는 전자들의 스핀과 상호작용을 한다. 선호하는 상호작용의 형태에 따라 모든 스핀이 한쪽 방향으로 정렬한다면 강자성체가 되고, 격자 위의 스핀들이 서로 다른 방향으로 정렬하는 경우에 반강자성체가 된다. 하지만 격자 모양이 일반적인 4각형 격자가 아닌 삼각 격자의 경우엔 재미있는 현상이 발생한다. 삼각 격자에서 전자들은 모두 같은 스핀방향을 선호할 수는 있으나 모두 다른 스핀 방향을 가질 수 있는 방법이 없다. 예를 들어, 삼각격자에서 두 개의 꼭지점이 (+1)과 (-1)의 스핀 방향을 가질 경우에 세번째 꼭지점이 (+1) 혹은 (-1)의 스핀 상태를 가질 수 없다. 이때 세번째 꼭지점은 경쟁하는 상호작용이 동시에 만족될 수 없는 상태에 있게 되며 이를 스핀 쩔쩔맴(frustration)현상이라고 말한다[1]. 쩔쩔매는 상태에서 전자의 스핀은 (+1)도 되고 (-1)도 되는 양자중첩상태가 허용되며, 이러한 상태에서는 절대온도 0도(-273K)까지 냉각시켜도 스핀들이 어떠한 방향으로 정렬하지 않는다. 이러한 물질을 양자 스핀 액체라고 한다.
양자 스핀 액체는 1973년 처음으로 개념이 제안된 이후 양자통신 및 양자컴퓨팅에 큰 잠재력을 갖고 있는 것으로 알려져 집중적으로 연구되고 있다. 하지만 실험적 검증은 여전히 큰 과제로 남아있다. 본 보고서는 최근에 발표된 리뷰 논문을 중심으로 작성하였으며[1-4], 양자 스핀 액체 기술의 발전 현황 및 최근 연구 동향, 앞으로의 과제에 대해 살펴보고자 한다.