고급 레이저 기술로 양자의 신비를 밝히다

과학적 발견은 우주에 대한 이해를 크게 넓혀주는 획기적인 발견을 통해 발전하는데, 특히 양자역학 분야가 그렇습니다. 양자역학 탄생의 근간이 되었던 Max Planck의 양자 이론은 원자 및 아원자 현상을 탐구하는 데 필수적인 양자 역학의 토대를 마련했습니다. 

오늘날, 캘리포니아 공과대학교 Hsieh 연구 그룹 PI인 David Hsieh 박사는 강상관 전자계의 복잡한 상호 작용을 풀어내는 양자 물질에 ​​대한 연구로 이러한 여정의 최선두에 서 있습니다. 그는 연구를 통해 이러한 상호 작용에서 발생하는 특이한 현상을 이해하는 데 큰 진전을 이루었습니다. 이 획기적인 연구의 핵심은 Hsieh 박사의 연구 성공의 핵심 요인인 Coherent Astrella 레이저였습니다. Astrella 레이저를 사용하여 Hsieh 박사 팀은 전례 없는 정밀성과 정확성으로 양자 물질을 시험하고 조작할 수 있었고 전례 없는 다양성을 확보할 수 있었습니다. 이 레이저의 다양성에 대해 Hsieh 박사는 이렇게 부연 설명합니다. "레이저는 우리 연구실에서만 사용되었고, 공유 기기가 아닙니다. 우리 연구실에는  다른 곳에서 연구비를 받는 여러 프로젝트가 있어서 각각 다른 유형의 시험이 필요하고... 많은 시험이 동일한 레이저로 진행됩니다."

강상관 전자계의 선구적 탐구

Hsieh 박사의 연구는 양자 물질, 특히 강상관 전자계로 알려진 양자 물질에 중점을 두고 있습니다. 이 물질은 전자 간의 강한 상호 작용이 특징이며, 고전적 설명을 부인하는 집단적 행동에 이르게 됩니다. Hsieh 박사가 진행한 연구의 상당 부분은 전자 간의 강력한 상호 작용으로 인해 절연되는 물질인 Mott 절연체에 중점을 두고 있습니다. Mott 절연체는 고온 초전도체와 밀접한 관련이 있으며 반강자성 질서와 같이 흥미로운 자기적 특성을 보입니다. 

Hsieh 박사 연구팀은 고급 레이저 기술을 이용해 전자계에서 전하와 스핀 간의 상호 작용을 탐구하여, 이 물질의 미시적 특성을 이해하고자 했으며, 주로 허버드 엑시톤이라고 알려진 준입자 유형에 초점을 맞추고 있습니다. Coulomb 힘에 의해 결합된 기존 엑시톤과 다르게 허버드 엑시톤은 자기적 상호 작용에 의해 결합되며, 양자 물질의 행동에 대한 새로운 통찰력을 제시합니다.

반강자성 Mott 절연체에서 레이저를 이용한 발견

최근 논문인 "광도핑된 반강자성 Mott 절연체에서의 허버드 엑시톤 유체"에서 Hsieh 박사는 Astrella 레이저를 사용하여 Mott 절연체에서 허버드 엑시톤의 복잡한 역학을 탐구합니다.¹ 이 연구는 안정적인 허버드  엑시톤의 존재에 대한 실험적 증거를 제시하며, 많은 이론적 예측을 테스트하기 위한 토대가 될 수 있습니다. Hsieh 박사 팀은 시간 분해능 테라헤르츠 분광법을 활용하여 허버드 엑시톤의 고유한 스펙트럼 지문을 파악하고, 이들의 결합 메커니즘과 잠재적인 미래 재료 응용 분야를 알아냈습니다. 이 논문은 양자 재료 분야의 상당한 발전을 의미하며, 이렇게 특별한 체계에서 스핀과 전하의 미묘한 상호 작용에 대한 연구의 새로운 방법을 제시했을 뿐만 아니라 Astrella 레이저의 정교한 특성을 보여줍니다.

그의 연구에서 자주 사용되는 핵심 기술 중 하나는 펌프 프로브 분광법입니다. 두 개의 동기화된 레이저 펄스를 사용하며, 하나는 재료를 여기시키고 다른 하나는 재료를 프로브하는 방법입니다. 이런 실험이 성공하려면 초단 펄스와 높은 전계 강도를 가진 Astrella 레이저가 필수적입니다. 이러한 펄스를 통해 연구 팀은 재료가 열 평형에서 멀리 벗어나 있을 때 어떻게 되는지 탐구하여 펨토초 및 피코초 시간 척도에서 전자, 격자 진동 등의 역학을 밝혀낼 수 있습니다. Astrella 레이저의 뛰어난 성능 덕분에 연구 중인 미묘하고 일시적인 현상을 최고의 정확도로 포착할 수 있었습니다.

Coherent Astrella 레이저는 Hsieh 박사 연구실에 없어서는 안 되는 연구 도구임이 입증되었습니다. 장기간에 걸쳐 안정적인 고강도 펄스를 생성할 수 있는 능력은 정밀도가 가장 중요한 그의 연구실에서 수행하는 장기적 실험에 절대적으로 필요한 요소입니다. "Astrella 레이저의 견고성과 안정성 덕분에 환경 변동으로 인한 간섭을 최소화하면서 양자 영역을 탐구할 수 있었고, 결과의 정확성과 재현성을 보장할 수 있었습니다"라고 Hsieh 박사는 말합니다. 

특히 그의 연구실에서 55,000시간 이상(크리스마스를 제외하고) 지속적으로 사용한 점에서 알 수 있듯이 Astrella 레이저는 매우 신뢰할 수 있으며, 이는 레이저의 엔지니어링 우수성을 말해주는 놀라운 성과입니다. 이러한 장기적인 신뢰성은 Hsieh 박사의 연구에 매우 중요했으며, 양자 재료 과학의 경계를 넓히는 여러 프로젝트에서 중단 없이 연구를 진행할 수 있었습니다.

참고 문헌: 

1. Mehio, O., Li, X., Ning, H.et al.  A Hubbard exciton fluid in a photo-doped antiferromagnetic Mott insulator(광도핑 반강자성 Mott 절연체에서의 허버드 엑시톤 유체). Nat. Phys. 19, 1876–1882(2023). https://doi.org/10.1038/s41567-023-02204-2 

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