키랄성에 대한 새로운 변형: 연구자들은 방향성 개념을 확장하고 새로운 종류의 재료를 제안합니다.

2023년 5월 8일

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작성자: Michael O'Boyle, 일리노이 대학교 그레인저 공과대학

소리, 전기, 열 등의 흐름을 한 방향으로 제한하는 것이 바람직한 경우가 많지만 자연적으로 발생하는 시스템에서는 이를 거의 허용하지 않습니다. 그러나 단방향 흐름은 실제로 특정 조건에서 설계될 수 있으며 결과 시스템은 키랄 동작을 나타내는 것으로 알려져 있습니다.

키랄성의 개념은 전통적으로 한 차원의 단일 방향 흐름으로 제한됩니다. 그러나 2021년 일리노이 대학교 어바나-샴페인 캠퍼스의 물리학 교수인 테일러 휴즈(Taylor Hughes)와 함께 연구하는 연구자들은 2차원에서 더 복잡한 키랄 흐름을 설명할 수 있는 이론적 확장을 도입했습니다.

이제 Hughes와 UIUC 기계 과학 및 공학 교수인 Gaurav Bahl이 이끄는 팀이 이러한 확장을 실험적으로 실현했습니다. 연구원들이 Nature Communications에 보고한 바와 같이, 그들은 확장되거나 더 높은 등급의 키랄성에 의해 예측되는 완전히 새로운 행동을 탐색하기 위해 양자 물질의 미세한 행동을 시뮬레이션하는 전자 시스템인 위상 회로 네트워크를 구축했습니다.

"실질적으로 우리는 일방통행 도로에 대한 아이디어를 2차원으로 일반화했습니다"라고 Hughes는 말했습니다. "2차원에서는 어떤 것이 한 방향으로 또는 다른 방향으로 진행된다는 절대적인 의미가 없습니다. 하지만 고정된 화살표를 가지고 다니면 해당 화살표를 기준으로 키랄 운동을 설명할 수 있습니다."

실제로 더 높은 순위의 키랄성은 입자의 흐름 방향과 입자가 함께 전달하는 화살표 방향 또는 벡터 양 사이의 잠금으로 나타납니다. 이 연구에서 팀은 입자가 전달하는 운동량 벡터를 가로지르도록 흐름이 고정되는 랭크 2 키랄성에 중점을 두었습니다.

이번 연구의 주저자이자 UIUC 물리학 대학원생인 Penghao Zhu는 "표준 키랄성에서 흐름은 한 방향, 즉 오른쪽으로만 갈 수 있습니다. 그러나 랭크 2 시스템은 입자의 운동량이 상승하면 오른쪽으로 흐르고, 기세가 하락하면 왼쪽으로 흐른다."

2021년 연구에서 휴즈 그룹은 2순위 키랄성을 위한 양자 물질 시스템을 제안했지만, 학제간 팀은 대신 위상 회로 네트워크를 사용하여 이 시스템의 동작을 탐색할 수 있다는 것을 깨달았습니다. 이 플랫폼에서 키랄성은 특정 방향의 흐름에만 영향을 미치도록 설계되어 원치 않는 흐름이 빠르게 사라지고 원하는 방향의 흐름만 남도록 설계된 비암성(non-Hermiticity)이라고 불리는 미세한 소실 또는 마찰의 결과입니다.

Zhu와 박사후 연구원인 Xiao-Qi Sun은 필요한 비암수성을 나타내는 회로 네트워크를 설계했으며 Bahl과 협력하여 이 "메타" 물질을 구성하고 실험적 측정을 수행했습니다. Zhu에 따르면, 이 물질은 키랄 시스템의 중요한 특성을 나타냈습니다. 즉, 부과된 단방향성이 시스템 경계에 흐름을 축적시키는 비에르미트 스킨 효과(non-Hermitian skin effect)입니다.

"게다가 우리 실험은 흐름이 재료 모서리에 축적되는 모서리 위치 파악과 같이 이전에 탐구되지 않았던 새로운 현상을 보여줍니다."라고 그는 말했습니다. "이것은 랭크 2 키랄성에 있어서 매우 특별한 것이며 이전에 입증된 어떤 피부 효과에서도 볼 수 없습니다."

더 높은 순위의 키랄성이 제공하는 일반화는 흐름을 필터링하고 광학 빔을 엔지니어링하는 데 사용할 수 있는 새로운 종류의 장치를 제안합니다. Sun은 이동 방향에 따라 광자 또는 빛의 입자를 분리하는 장치를 상상합니다. 오른쪽으로 이동하는 광자만 원하는 경우 2차 키랄 물질은 왼쪽으로 전파되는 광자를 다른 방향으로 강제로 제거하여 제거할 수 있습니다. 폐기할 방향.