1. 개요
란다우 준위는 균일한 자기장 내에서 전하를 띤 입자의 에너지 양자화 현상을 설명하는 개념이다. 자기장 내에서 전하를 띤 입자는 에너지 준위가 불연속적으로, 즉 란다우 준위로 양자화된다. 란다우 준위는 자기 퍼텐셜, 게이지 고정, 대칭 게이지 등을 사용하여 계산할 수 있으며, 각 란다우 준위는 여러 상태가 겹쳐진 축퇴 상태를 갖는다. 란다우 준위는 상대론적 경우, 2차원 격자, 정수 양자 홀 효과, 페르미 기체의 자기 감수율 등 다양한 물리적 현상과 관련이 있다.
2. 유도와 정의
''z''방향으로 균일한 자기장 \mathbf{B} = B\hat{\mathbf{z}} 가 주어진 ''xy'' 평면을 생각하자. 이 자기장에 대한 자기 퍼텐셜 \mathbf A 는 :\mathbf{A} = xB\hat{\mathbf{y}} 으로 잡을 수 있다. ''xy'' 평면에 갇힌, 전하 q 를 가진 입자를 생각하자. 이 입자의 해밀토니언 은 다음과 같다. [2] [4] :H=\frac1{2m}(\mathbf p-q\mathbf A)^2=\frac1{2m}\left(p_x^2+(p_y-qxB)^2\right) 이 해밀토니언은 ''y''방향 운동량 과 가환한다. :[H,p_y]=0 따라서 p_y 를 그 고윳값으로 대체할 수 있다. p_y 의 고윳값을 고정시키면, 이 해밀토니언은 위치 에너지 :V(x)=(p_y-qxB)^2/2m=\frac1{2m}q^2B^2(x-p_y/qB)^2 를 가지는, 1차원 공간 위에 존재하는 입자다. 이 퍼텐셜은 포물선 꼴이므로, 이는 1차원 양자 조화 진동자 이며, 그 각진동수 \omega 는 :\omega=qB/m 다. 따라서, 주어진 p_y 에 대한 에너지 준위는 다음과 같다. :E_n=\left(\frac1{2}+n\right)\hbar qB/mc 이 준위들을 '''란다우 준위'''라고 한다. [2]속도 '''v'''를 가진 입자의 사이클로트론 궤도 그림. 여기서 '''v'''는 균일한 자기장 '''B''' 하에서 하전 입자(여기서는 양전하)의 고전적 궤적이다. 란다우 양자화는 균일한 자기장 하에 있는 양자 하전 입자를 나타낸다. ## 란다우 게이지 레프 란다우가 도입한 게이지 고정은 균일한 자기장 내의 하전 입자에 자주 사용된다. [2] 란다우 게이지에서 자기 퍼텐셜 \mathbf{A} 는 다음과 같다. :\mathbf{A} = \begin{pmatrix} 0 \\ B\cdot x \\ 0 \end{pmatrix} 이 게이지에서 해밀토니안은 다음과 같다. :\hat{H} = \frac{\hat{p}_x^2}{2m} + \frac{1}{2m} \left(\hat{p}_y - qB\hat{x}\right)^2 + \frac{\hat{p}_z^2}{2m}. 연산자 \hat{p}_y 는 해밀토니안과 교환 가능하므로 고유값 \hbar k_y 로 대체될 수 있다. \hat{z} 는 해밀토니안에 나타나지 않으므로, z-방향 운동은 자유 운동이다. 사이클로트론 공명 주파수 \omega_c=qB/m 를 이용하면 해밀토니안은 다음과 같이 간단하게 표현된다. :\hat{H} = \frac{\hat{p}_x^2}{2m} + \frac{1}{2} m \omega_{\rm c}^2 \left( \hat{x} - \frac{\hbar k_y}{m \omega_{\rm c}} \right)^2 + \frac{\hat{p}_z^2}{2m}. 이는 위치 공간에서 포텐셜의 최솟값이 x_0=\hbar k_y/m\omega_c 만큼 이동한 양자 조화 진동자 의 해밀토니안과 같다. 조화 진동자 포텐셜을 변환해도 에너지는 영향을 받지 않으므로, 이 시스템의 에너지는 다음과 같다. [4] :E_n=\hbar\omega_{\rm c}\left(n+\frac{1}{2}\right) + \frac{p_z^2}{2m},\quad n\geq 0. 에너지는 양자수 k_y 에 의존하지 않으므로, 유한한 수의 축퇴가 존재한다. 동일한 n 값을 갖는 각 파동 함수 집합을 '''란다우 준위'''라고 한다. 파동 함수는 y 방향의 운동량 고유 상태와 x 방향으로 x_0 만큼 이동한 조화 진동자 고유 상태 |\phi_n\rangle 의 곱으로 인수 분해된다. :\Psi(x,y,z) = e^{i(k_y y+k_z z)} \phi_n(x-x_0) 여기서 k_z = p_z / \hbar 이다. 전자의 상태는 양자수 n , k_y , k_z 로 특징지어진다. ## 대칭 게이지 ''z''방향으로 균일한 자기장 \mathbf B=B\hat{\mathbf z} 가 주어진 ''xy'' 평면에서, 자기 퍼텐셜 \mathbf A 를 대칭 게이지로 선택하면 다음과 같다. :\hat{\mathbf{A}} =\frac{1}{2} \mathbf{B}\times \hat{\mathbf{r}} = \frac{1}{2}\begin{pmatrix} -By\\ Bx \\0 \end{pmatrix}. 무차원 길이와 에너지로 표현하면, 해밀토니안은 다음과 같이 표현할 수 있다. :\hat{H} = \frac{1}{2} \left[\left(-i\frac{\partial}{\partial x} + \frac{y}{2}\right)^2 + \left(-i \frac{\partial}{\partial y} - \frac{x}{2}\right)^2 \right] 다음 연산자들을 정의하자.\begin{align} \hat{a} &= \frac{1}{\sqrt{2}} \left[\left(\frac{x}{2} + \frac{\partial}{\partial x}\right) -i \left(\frac{y}{2} + \frac{\partial}{\partial y}\right)\right] \\ \hat{a}^{\dagger} &= \frac{1}{\sqrt{2}} \left[\left(\frac{x}{2} - \frac{\partial}{\partial x}\right) +i \left(\frac{y}{2} - \frac{\partial}{\partial y}\right)\right] \\ \hat{b} &= \frac{1}{\sqrt{2}} \left[\left(\frac{x}{2} + \frac{\partial}{\partial x}\right) +i \left(\frac{y}{2} + \frac{\partial}{\partial y}\right)\right] \\ \hat{b}^{\dagger} &= \frac{1}{\sqrt{2}} \left[\left(\frac{x}{2} - \frac{\partial}{\partial x}\right) -i \left(\frac{y}{2} - \frac{\partial}{\partial y}\right)\right] \end{align} 이 연산자들은 다음 교환 관계를 만족한다. :[\hat{a}, \hat{a}^{\dagger}] = [\hat{b},\hat{b}^{\dagger}] = 1. 이 연산자들로 표현하면, 해밀토니안은 다음과 같이 쓸 수 있다. : \hat{H} = \hbar\omega_{\rm c}\left(\hat{a}^{\dagger}\hat{a} + \frac{1}{2}\right), 여기서 \omega_{\rm c}=qB/m 는 사이클로트론 진동수이다. 란다우 준위 지수 n 은 연산자 \hat{N}=\hat{a}^{\dagger}\hat{a} 의 고윳값이다. \hat{b}^{\dagger} 의 적용은 n 을 유지하면서 각운동량 m_z 를 1만큼 증가시키는 반면, \hat{a}^{\dagger} 의 적용은 동시에 n 을 증가시키고 m_z 를 1만큼 감소시킨다. 양자 조화 진동자 와의 유추는 해를 제공한다. :\hat{H} |n,m_z\rangle = E_n |n,m_z\rangle, 여기서 :E_n = \hbar\omega_{\rm c}\left(n + \frac{1}{2}\right) 이고 :|n,m_z\rangle = \frac{(\hat{b}^{\dagger})^{m_z+n}}{\sqrt{(m_z+n)!}} \frac{(\hat{a}^{\dagger})^{n}}{\sqrt{n!}}|0,0\rangle. 위 상태가 다음의 파동 함수에 비례하는 것을 확인할 수 있다. :\psi_{n,m_z}(x, y) = \left( \frac{\partial}{\partial w} - \frac{\bar{w}}{4} \right)^n w^{n + m_z} e^{-|w|^2 / 4} 여기서 w = x - i y 이다. 특히, 최저 란다우 준위 n = 0 은 가우시안을 곱한 임의의 해석적 함수로 구성되며, \psi(x,y) = f(w) e^{-|w|^2/4} 이다. 이 결과는 란다우 게이지에서의 결과와 동등하다. ## 축퇴 (Degeneracy) ''z''방향으로 균일한 자기장 \mathbf B=B\hat{\mathbf z} 가 주어지는 경우, 각 란다우 준위는 여러 개의 상태가 겹쳐져 있는 축퇴 상태를 가진다. 이러한 축퇴는 두 번째 양자수 k_y 에 의해 발생하며, k_y = \frac{2 \pi N}{L_y} (N은 정수) 값을 가질 수 있다. 허용되는 N 값은 진동 중심 x_0 가 시스템 내부에 물리적으로 존재해야 한다는 조건(0\le x_0)에 의해 제한된다. 이는 N 에 대한 다음 범위를 제공한다. :0 \leq N < \frac{m \omega_{\rm c} L_x L_y}{2\pi\hbar} . 전하 q=Ze 를 갖는 입자의 경우, N 의 상한은 자기 선속 의 비율로 표현 가능하다. :\frac{Z B L_x L_y}{(h/e)} = Z\frac{\Phi}{\Phi_0} 여기서 \Phi_0=h/e 는 기본 자기 선속 양자이고, \Phi=BA 는 시스템을 통과하는 자기 선속(면적 A=L_xL_y )이다. 따라서 스핀 S 를 갖는 입자의 경우, 란다우 준위당 최대 입자 수 D 는 다음과 같다. :D = Z (2S+1) \frac{\Phi}{\Phi_0} 전자 의 경우 (Z= 1 및 S=1/2 ) D= 2\Phi/\Phi_0 가 되어, 시스템을 관통하는 각 자기 선속 양자당 두 개의 사용 가능한 상태를 제공한다. 제만 분열을 포함하면 각 란다우 준위는 스핀 업 전자와 스핀 다운 전자에 대해 각각 한 쌍으로 분열된다. 그러면 각 스핀 란다우 준위의 점유율은 플럭스 비율 D=\Phi/\Phi_0 이다. 일반적으로 란다우 준위는 전자 시스템에서 관찰되며, 자기장이 증가함에 따라 점점 더 많은 전자가 주어진 란다우 준위에 맞출 수 있다. 가장 높은 란다우 준위의 점유율은 완전히 채워진 것부터 완전히 빈 것까지 다양하며, 이는 드 하스-판 알펜 효과 및 슈브니코프-드 하스 효과와 같은 다양한 전자적 특성의 진동으로 이어진다.
2. 1. 란다우 게이지
''z''방향으로 균일한 자기장 \mathbf{B} = B\hat{\mathbf{z}} 가 주어지는 ''xy'' 평면에서 전하 q 를 가진 입자를 고려하자. 이 입자의 해밀토니언 은 다음과 같다. [2] [4] :H=\frac1{2m}(\mathbf p-q\mathbf A)^2=\frac1{2m}\left(p_x^2+(p_y-qxB)^2\right) 이 해밀토니언은 ''y''방향 운동량 과 가환한다. :[H,p_y]=0 p_y 를 그 고윳값으로 대체하고, 고윳값을 고정시키면, 이 해밀토니언은 1차원 양자 조화 진동자 와 같으며, 각진동수 \omega 는 다음과 같다. :\omega=qB/m 따라서 에너지 준위는 다음과 같다. :E_n=\left(\frac1{2}+n\right)\hbar qB/mc 이 준위들을 '''란다우 준위'''라고 한다. [2] 레프 란다우가 도입한 게이지 고정은 균일한 자기장 내의 하전 입자에 자주 사용된다. [2] 란다우 게이지에서 자기 퍼텐셜 \mathbf{A} 는 다음과 같다. :\mathbf{A} = \begin{pmatrix} 0 \\ B\cdot x \\ 0 \end{pmatrix} 이 게이지에서 해밀토니안은 다음과 같다. :\hat{H} = \frac{\hat{p}_x^2}{2m} + \frac{1}{2m} \left(\hat{p}_y - qB\hat{x}\right)^2 + \frac{\hat{p}_z^2}{2m}. 연산자 \hat{p}_y 는 해밀토니안과 교환 가능하므로 고유값 \hbar k_y 로 대체될 수 있다. \hat{z} 는 해밀토니안에 나타나지 않으므로, z-방향 운동은 자유 운동이다. 사이클로트론 공명 주파수 \omega_c=qB/m 를 이용하면 해밀토니안은 다음과 같이 간단하게 표현된다. :\hat{H} = \frac{\hat{p}_x^2}{2m} + \frac{1}{2} m \omega_{\rm c}^2 \left( \hat{x} - \frac{\hbar k_y}{m \omega_{\rm c}} \right)^2 + \frac{\hat{p}_z^2}{2m}. 이는 위치 공간에서 포텐셜의 최솟값이 x_0=\hbar k_y/m\omega_c 만큼 이동한 양자 조화 진동자 의 해밀토니안과 같다. 조화 진동자 포텐셜을 변환해도 에너지는 영향을 받지 않으므로, 이 시스템의 에너지는 다음과 같다. [4] :E_n=\hbar\omega_{\rm c}\left(n+\frac{1}{2}\right) + \frac{p_z^2}{2m},\quad n\geq 0. 에너지는 양자수 k_y 에 의존하지 않으므로, 유한한 수의 축퇴가 존재한다. 동일한 n 값을 갖는 각 파동 함수 집합을 '''란다우 준위'''라고 한다. 파동 함수는 y 방향의 운동량 고유 상태와 x 방향으로 x_0 만큼 이동한 조화 진동자 고유 상태 |\phi_n\rangle 의 곱으로 인수 분해된다. :\Psi(x,y,z) = e^{i(k_y y+k_z z)} \phi_n(x-x_0) 여기서 k_z = p_z / \hbar 이다. 전자의 상태는 양자수 n , k_y , k_z 로 특징지어진다.
2. 2. 대칭 게이지
''z''방향으로 균일한 자기장 \mathbf B=B\hat{\mathbf z} 가 주어진 ''xy'' 평면에서, 자기 퍼텐셜 \mathbf A 를 대칭 게이지로 선택하면 다음과 같다. :\hat{\mathbf{A}} =\frac{1}{2} \mathbf{B}\times \hat{\mathbf{r}} = \frac{1}{2}\begin{pmatrix} -By\\ Bx \\0 \end{pmatrix}. 무차원 길이와 에너지로 표현하면, 해밀토니안은 다음과 같이 표현할 수 있다. :\hat{H} = \frac{1}{2} \left[\left(-i\frac{\partial}{\partial x} + \frac{y}{2}\right)^2 + \left(-i \frac{\partial}{\partial y} - \frac{x}{2}\right)^2 \right] 다음 연산자들을 정의하자.\begin{align} \hat{a} &= \frac{1}{\sqrt{2}} \left[\left(\frac{x}{2} + \frac{\partial}{\partial x}\right) -i \left(\frac{y}{2} + \frac{\partial}{\partial y}\right)\right] \\ \hat{a}^{\dagger} &= \frac{1}{\sqrt{2}} \left[\left(\frac{x}{2} - \frac{\partial}{\partial x}\right) +i \left(\frac{y}{2} - \frac{\partial}{\partial y}\right)\right] \\ \hat{b} &= \frac{1}{\sqrt{2}} \left[\left(\frac{x}{2} + \frac{\partial}{\partial x}\right) +i \left(\frac{y}{2} + \frac{\partial}{\partial y}\right)\right] \\ \hat{b}^{\dagger} &= \frac{1}{\sqrt{2}} \left[\left(\frac{x}{2} - \frac{\partial}{\partial x}\right) -i \left(\frac{y}{2} - \frac{\partial}{\partial y}\right)\right] \end{align} 이 연산자들은 다음 교환 관계를 만족한다. :[\hat{a}, \hat{a}^{\dagger}] = [\hat{b},\hat{b}^{\dagger}] = 1. 이 연산자들로 표현하면, 해밀토니안은 다음과 같이 쓸 수 있다. : \hat{H} = \hbar\omega_{\rm c}\left(\hat{a}^{\dagger}\hat{a} + \frac{1}{2}\right), 여기서 \omega_{\rm c}=qB/m 는 사이클로트론 진동수이다. 란다우 준위 지수 n 은 연산자 \hat{N}=\hat{a}^{\dagger}\hat{a} 의 고윳값이다. \hat{b}^{\dagger} 의 적용은 n 을 유지하면서 각운동량 m_z 를 1만큼 증가시키는 반면, \hat{a}^{\dagger} 의 적용은 동시에 n 을 증가시키고 m_z 를 1만큼 감소시킨다. 양자 조화 진동자 와의 유추는 해를 제공한다. :\hat{H} |n,m_z\rangle = E_n |n,m_z\rangle, 여기서 :E_n = \hbar\omega_{\rm c}\left(n + \frac{1}{2}\right) 이고 :|n,m_z\rangle = \frac{(\hat{b}^{\dagger})^{m_z+n}}{\sqrt{(m_z+n)!}} \frac{(\hat{a}^{\dagger})^{n}}{\sqrt{n!}}|0,0\rangle. 위 상태가 다음의 파동 함수에 비례하는 것을 확인할 수 있다. :\psi_{n,m_z}(x, y) = \left( \frac{\partial}{\partial w} - \frac{\bar{w}}{4} \right)^n w^{n + m_z} e^{-|w|^2 / 4} 여기서 w = x - i y 이다. 특히, 최저 란다우 준위 n = 0 은 가우시안을 곱한 임의의 해석적 함수로 구성되며, \psi(x,y) = f(w) e^{-|w|^2/4} 이다. 이 결과는 란다우 게이지에서의 결과와 동등하다.
2. 3. 축퇴 (Degeneracy)
''z''방향으로 균일한 자기장 \mathbf B=B\hat{\mathbf z} 가 주어지는 경우, 각 란다우 준위는 여러 개의 상태가 겹쳐져 있는 축퇴 상태를 가진다. 이러한 축퇴는 두 번째 양자수 k_y 에 의해 발생하며, k_y = \frac{2 \pi N}{L_y} (N은 정수) 값을 가질 수 있다. 허용되는 N 값은 진동 중심 x_0 가 시스템 내부에 물리적으로 존재해야 한다는 조건(0\le x_0)에 의해 제한된다. 이는 N 에 대한 다음 범위를 제공한다. :0 \leq N < \frac{m \omega_{\rm c} L_x L_y}{2\pi\hbar} . 전하 q=Ze 를 갖는 입자의 경우, N 의 상한은 자기 선속 의 비율로 표현 가능하다. :\frac{Z B L_x L_y}{(h/e)} = Z\frac{\Phi}{\Phi_0} 여기서 \Phi_0=h/e 는 기본 자기 선속 양자이고, \Phi=BA 는 시스템을 통과하는 자기 선속(면적 A=L_xL_y )이다. 따라서 스핀 S 를 갖는 입자의 경우, 란다우 준위당 최대 입자 수 D 는 다음과 같다. :D = Z (2S+1) \frac{\Phi}{\Phi_0} 전자 의 경우 (Z= 1 및 S=1/2 ) D= 2\Phi/\Phi_0 가 되어, 시스템을 관통하는 각 자기 선속 양자당 두 개의 사용 가능한 상태를 제공한다. 제만 분열을 포함하면 각 란다우 준위는 스핀 업 전자와 스핀 다운 전자에 대해 각각 한 쌍으로 분열된다. 그러면 각 스핀 란다우 준위의 점유율은 플럭스 비율 D=\Phi/\Phi_0 이다. 일반적으로 란다우 준위는 전자 시스템에서 관찰되며, 자기장이 증가함에 따라 점점 더 많은 전자가 주어진 란다우 준위에 맞출 수 있다. 가장 높은 란다우 준위의 점유율은 완전히 채워진 것부터 완전히 빈 것까지 다양하며, 이는 드 하스-판 알펜 효과 및 슈브니코프-드 하스 효과와 같은 다양한 전자적 특성의 진동으로 이어진다.
3. 상대론적 경우
상수 자기장 하에서 디랙 방정식 을 따르는 전자는 해석적으로 풀 수 있다. [6] [7] 에너지는 다음과 같이 주어진다. :''E''rel = ±√(''mc''2 )2 + (''cħkz '')2 + 2νħωc ''mc''2 여기서 ''c''는 광속 이고, 부호는 입자-반입자 성분에 따라 다르며, ''ν''는 음이 아닌 정수이다. 스핀으로 인해 ''ν'' = 0에서의 바닥 상태를 제외한 모든 준위는 축퇴된다.그래핀 의 란다우 준위. 그래핀의 전하 운반자 는 상대론적 질량이 없는 디랙 입자처럼 동작한다. 질량이 없는 2차원적인 경우는 그래핀 과 같은 단층 물질의 디랙 원뿔 근처에서 시뮬레이션할 수 있으며, 이때 고유 에너지는 다음과 같다. [8] :''E''graphene = ±√(2νħeB''v''F 2 ) 여기서 광속은 물질의 페르미 속도 ''v''F 로 대체되어야 하며, 음의 부호는 전자 구멍에 해당한다.
4. 2차원 격자 (호프스태터 나비)
호프스태터의 나비도 참조 2차원 무한 격자 내 전하 입자의 타이트 결합 에너지 스펙트럼은 자기 유사성 및 프랙탈 구조를 가지는 것으로 알려져 있으며, 이는 호프스태터의 나비에서 증명되었다. [10] 격자 셀을 통과하는 플럭손 과 자기 선속의 정수비에 대해, 큰 정수에 대한 란다우 준위를 얻을 수 있다.
5. 정수 양자 홀 효과
강한 자기장 내 반도체 의 에너지 스펙트럼은 정수 지표로 표시될 수 있는 란다우 준위를 형성한다. 또한, 홀 저항 역시 정수 로 표시되는 이산적인 준위를 나타낸다. 이 두 양이 관련되어 있다는 사실은 여러 방법으로 증명될 수 있지만, 가장 쉽게는 Drude 모델을 통해 확인할 수 있다. 홀 전도율은 전자 밀도 에 따라 다음과 같이 나타난다. :\rho_{xy}=\frac{B}{n e}. 저항 평탄부는 :\rho_{xy}=\frac{2 \pi\hbar }{e^2}\frac{1}{\nu}, 로 주어지므로, 필요한 밀도는 다음과 같다. :n=\frac{B }{\Phi_0}\nu, 이는 란다우 준위를 채우는 데 필요한 밀도와 정확히 일치한다. 각 준위의 큰 축퇴와 함께 서로 다른 란다우 준위 사이의 갭은 저항을 양자화시킨다.
6. 페르미 기체의 자기 감수율
페르미 기체 (상호작용하지 않는 페르미온 들의 앙상블)는 금속의 열역학적 성질을 이해하는 데 기초가 된다. 1930년 란다우는 페르미 기체의 자기 감수율 에 대한 추정치를 도출했는데, 이는 작은 자기장에서는 상수인 란다우 감수율 로 알려져 있다. [9] 란다우는 또한 자기장이 클 때 감수율이 고주파로 진동한다는 것을 알아냈는데, 이 물리적 현상은 드 하스-반 알펜 효과로 알려져 있다. [9]
참조
[1]
논문
Diamagnetismus der Metalle
Springer Science and Business Media LLC
[2]
웹사이트
Charge in Magnetic Field
https://courses.phys[...]
2023-03-11
[3]
문서
An equally correct solution in the Landau gauge would be: \mathbf{A} = \begin{pmatrix} -B y & 0 & 0 \end{pmatrix}^T .
[4]
서적
Quantum mechanics : non-relativistic theory
Butterworth Heinemann
[5]
논문
A new approach to the ground state of quantum Hall systems. Basic principles
[6]
논문
Das freie Elektron im homogenen Magnetfeld nach der Diracschen Theorie
http://link.springer[...]
1928
[7]
서적
Quantum Electrodynamics: Volume 4
https://books.google[...]
Elsevier
2012-12-02
[8]
논문
Landau quantization of Dirac fermions in graphene and its multilayers
2017
[9]
서적
Statistical Physics: Volume 5
https://books.google[...]
Elsevier
2013-10-22
[10]
논문
Landau levels, molecular orbitals, and the Hofstadter butterfly in finite systems
http://aapt.scitatio[...]
2004-05
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