물리학자들은 양자 특이점을 찾기 위해 빛으로 물질을 만든다

광파로 고체 물질을 모방하는 실험은 이국적인 물리적 효과의 양자 기반을 밝힙니다.

냉장고의 스테인레스 스틸이나 조리대의 석영과 같이 겉보기에 평범해 보이는 많은 재료에는 그 안에 매혹적인 물리학이 담겨 있습니다. 이러한 물질은 결정입니다. 이는 물리학에서 원자 격자라고 불리는 규칙적으로 간격을 둔 원자의 고도로 정렬된 반복 패턴으로 구성되어 있음을 의미합니다. 전자가 격자를 통해 원자에서 원자로 이동하는 방식은 색상, 투명도, 열 및 전기 전도 능력과 같은 고체의 많은 특성을 결정합니다. 예를 들어, 금속은 빛을 흡수한 후 대부분을 다시 방출하여 표면을 빛나게 만드는 많은 자유 전자를 포함하고 있기 때문에 빛납니다.

특정 결정에서는 전자의 행동이 훨씬 더 특이한 특성을 생성할 수 있습니다. 육각형 격자로 배열된 탄소 원자로 만들어진 결정인 그래핀 내부에서 전자가 이동하는 방식은 터널링이라는 양자 효과의 극단적인 버전을 생성합니다. 이에 따라 입자는 고전 물리학에서 이를 차단해야 한다고 말하는 에너지 장벽을 통과할 수 있습니다. 그래핀은 또한 양자 홀 효과라는 현상을 나타냅니다. 그래핀이 전도하는 전기의 양은 우주의 두 가지 기본 상수에 따라 크기가 달라지는 특정 단계에서 증가합니다. 이러한 종류의 특성으로 인해 그래핀은 본질적으로 흥미롭고 더 나은 전자 장치 및 에너지 저장에서부터 향상된 생체 의학 장치에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 잠재적으로 유용할 수 있습니다.

나와 다른 물리학자들은 원자 수준에서 그래핀 내부에서 무슨 일이 일어나는지 이해하고 싶지만, 현재 기술로는 이 정도 규모의 작용을 관찰하기가 어렵습니다. 우리가 보고 싶은 세부 사항을 포착하기에는 전자가 너무 빠르게 움직입니다. 그러나 우리는 빛으로 물질을 만들어 이러한 한계를 극복할 수 있는 영리한 방법을 찾았습니다. 원자 격자 대신에 우리는 광파를 사용하여 광학 격자라고 부르는 것을 만듭니다. 우리의 광학 격자는 원자 격자와 정확히 동일한 기하학적 구조를 가지고 있습니다. 예를 들어, 최근 실험에서 우리 팀과 나는 표준 탄소 그래핀과 동일한 벌집 격자 구조를 가진 광학 버전의 그래핀을 만들었습니다. 우리 시스템에서는 전자가 그래핀의 탄소 원자 주위를 도는 것처럼 차가운 원자가 밝고 어두운 빛의 격자 주위를 도약하게 만듭니다.

광학 격자의 차가운 원자를 사용하면 시스템을 확대하고 입자가 뛰어다니는 것을 실제로 볼 수 있을 만큼 호핑 프로세스를 늦추고 프로세스를 측정할 수 있습니다. 우리 시스템은 그래핀을 완벽하게 에뮬레이션한 것은 아니지만, 우리가 관심 있는 현상을 이해하는 데는 그만큼 좋습니다. 고체 결정에서는 불가능한 방식으로 격자 물리학을 연구할 수도 있습니다. 우리의 실험은 그래핀에서 나타나는 기이한 물리학과 직접적으로 관련된 합성 물질의 특별한 특성을 밝혀냈습니다.

우리가 조사하는 결정 현상은 양자 역학이 파동 입자의 움직임을 제한하는 방식에서 비롯됩니다. 결국 결정 속의 전자는 질량을 갖고 있지만 입자이자 파동입니다(초저온 원자의 경우에도 마찬가지입니다). 고체 결정에서 이러한 한계는 단일 원자의 단일 전자를 가능한 각 운동 패턴(양자 상태라고 함)에 대해 단 하나의 에너지 값으로 제한합니다. 다른 모든 양의 에너지는 금지됩니다. 서로 다른 상태는 별개의 별개의(이산적인) 에너지 값을 갖습니다. 그러나 포도 크기의 고체 결정 덩어리에는 일반적으로 지구상의 모래알보다 더 많은 원자(약 1023개)가 포함되어 있습니다. 이러한 원자와 전자 사이의 상호 작용으로 인해 허용된 개별 에너지 값이 밴드라고 불리는 허용된 에너지 범위로 퍼지고 얼룩지게 됩니다. 물질의 에너지 밴드 구조를 시각화하면 해당 물질의 특성에 대한 정보를 즉시 밝힐 수 있습니다.

예를 들어, 옥상 태양전지를 만드는 데 사용되는 일반적인 재료인 실리콘 결정의 밴드 구조 플롯은 1.1전자볼트 폭의 금지된 에너지 범위(밴드 갭이라고도 함)를 보여줍니다. 전자가 이 갭보다 낮은 에너지를 갖는 상태에서 갭보다 높은 에너지를 갖는 상태로 점프할 수 있다면 결정을 통해 흐를 수 있습니다. 다행스럽게도 이 풍부한 물질의 밴드 갭은 햇빛에 존재하는 파장과 잘 겹칩니다. 실리콘 결정이 햇빛을 흡수하면 전자가 이를 통해 흐르기 시작하여 태양광 패널이 빛을 사용 가능한 전기로 변환할 수 있습니다.