양자 스핀 액체는 개별 스핀이 독립적으로 동작하는 상자성체와 달리, 스핀 간의 상호 작용으로 무질서한 "액체" 상태를 유지하는 물질의 상태를 의미한다. 이는 위상학적 질서, 양자 얽힘, 애니온 여기 등의 특징을 가지며, 기하학적 좌절, 공명 원자가 결합(RVB) 등의 원리로 설명된다. 실험적으로는 자기 감수율, NMR, 중성자 산란 등을 통해 특성을 연구하며, 허버트스미사이트, Cs2CuCl4, 유기 모트 절연체 등이 후보 물질로 연구되고 있다. 양자 스핀 액체는 데이터 저장, 위상 양자 계산, 고온 초전도 연구 등에 응용될 수 있다.
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액체 - 방울 방울은 액체의 표면 장력으로 인해 형성되는 구형 또는 타원형의 작은 액체 덩어리이며, 크기, 속도, 모양은 표면 장력, 중력, 공기 저항 등에 의해 결정되고 자연 현상에서 흔히 관찰되며 여러 분야에서 활용된다.
액체 - 연무질 연무질은 기체 내에 미세한 고체 또는 액체 입자가 섞여 있는 혼합물로, 대기 중에서는 수증기, 황산염 등 다양한 물질로 구성되어 지구 기후에 영향을 미치며 여러 분야에서 활용된다.
준입자 - 양공 양공은 반도체 내에서 전자가 빠져나간 자리를 의미하며, 마치 양의 전하를 띠는 입자처럼 행동하여 전기 전도에 기여하고, P형 반도체의 특성을 나타낸다.
준입자 - 엑시톤 엑시톤은 반도체나 절연체에서 전자와 정공이 쿨롱 힘으로 결합된 중성 준입자로, 광여기 등으로 생성되며, 유전 상수에 따라 와니어-모트 엑시톤과 프렌켈 엑시톤으로 나뉘고, 다양한 종류와 차원에 따라 다른 특성을 보이며 광학적 특성에 기여하고 저온에서 빛 방출 메커니즘으로 작용한다.
물질의 상 - 고체 고체는 물질의 네 가지 기본 상태 중 하나로, 원자, 분자, 이온들이 강하게 결합하여 일정한 형태와 부피를 가지며, 결합 방식과 전기 전도도, 외부 힘에 대한 반응에 따라 다양한 종류와 특성을 나타낸다.
물질의 상 - 초전도 현상 초전도 현상은 특정 물질이 임계 온도 아래에서 전기 저항이 사라지는 현상으로, 마이스너 효과와 자기 선속 양자화 등의 특징을 보이며 BCS 이론으로 일부 설명되지만 고온 초전도체는 미해결 과제로 남아있고 MRI, 초전도 자석 등에 응용되며 상온 초전도체 개발 연구가 진행 중이다.
양자 스핀 액체는 강자성체나 반강자성체와 달리 특정한 자기 정렬을 보이지 않는다.[10] 이는 액체처럼 스핀들이 무질서하게 요동치는 상태로, 무질서한 스핀의 "액체"라고 비유할 수 있다.[17] 물이 액체 상태일 때 고체 얼음에 비해 무질서한 것처럼, 양자 스핀 액체는 매우 낮은 온도에서도 무질서를 유지한다.[11]
국소 스핀이 동시에 모두 만족될 수 없는 경쟁적인 교환 상호 작용이 존재하여 시스템의 바닥 상태에서 큰 축퇴를 유발하는 경우 좌절된다. 이징 스핀의 삼각형(스핀의 가능한 유일한 방향이 "위" 또는 "아래"인 경우)은 반강자성적으로 상호 작용하며 좌절의 간단한 예이다. 바닥 상태에서 스핀 2개는 반평행할 수 있지만 세 번째 스핀은 반평행할 수 없다. 이는 바닥 상태에서 스핀의 가능한 방향(이 경우 6개)을 증가시켜 변동을 강화하고 자기 정렬을 억제한다.[1]
최근 연구에서는 뇌 네트워크를 분석할 때 이 개념을 사용하여 뇌에서 유연한 신경 상호 작용에 해당하는 좌절된 상호 작용을 놀랍게 나타냈다. 이러한 관찰은 좌절 현상의 일반화를 강조하고 생물학적 시스템에서 그 조사를 제안한다.[1]
2. 2. 공명 원자가 결합 (RVB)
P. W. 앤더슨은 1973년에 스핀 액체의 바닥 상태로 공명 원자가 결합(RVB) 상태를 제안했다.[41] 이 상태는 인접한 스핀들이 단일항(singlet) 쌍을 이루어 결합하는 형태로, 전체 시스템은 비자성을 띤다. 이러한 결합 상태는 양자 역학적으로 중첩되어 공명하는 상태이다. RVB 상태는 고온 초전도체 물리학에서 핵심적인 역할을 하는 것으로 제안되어 이론적으로 매우 중요하다.[42]
원자가 결합 고체. 결합은 특정 패턴을 형성하며 얽힌 스핀 쌍으로 구성된다.
원자가 결합 상태에서는 두 개의 전자 스핀이 반강자성 상호 작용으로 인해 스핀 0 단일항을 형성한다. 시스템의 모든 스핀이 이와 같이 결합되면 전체 시스템도 스핀 0을 가지며 비자성 상태가 된다. 결합을 형성하는 두 스핀은 최대 얽힘을 가지며, 다른 스핀과는 얽혀 있지 않다. 모든 스핀이 특정 국소화된 정적 결합에 분산되면 이를 '''원자가 결합 고체'''(VBS)라고 한다.
VBS와 스핀 액체를 구별하는 두 가지 특징은 다음과 같다. 첫째, VBS에서는 결합이 특정 방식으로 정렬되어 격자 대칭이 깨지는 경우가 일반적인 반면, 스핀 액체는 그렇지 않다. 둘째, VBS 바닥 상태는 장거리 얽힘이 부족하다. 장거리 얽힘을 가지려면 원자가 결합의 양자 역학적 변동이 허용되어야 하며, 이는 스핀을 원자가 결합으로 분할하는 여러 가지 다른 중첩으로 구성된 바닥 상태를 초래한다. 분할이 동일하게 분포되어 있다면(동일한 양자 진폭으로), 특정 분할에 대한 선호도가 없다("원자가 결합 액체").
RVB 상태에서 스핀의 가능한 단거리 페어링.
스핀의 장거리 페어링.
2. 2. 1. 여기(Excitations)
양자 스핀 액체는 분수 양자수를 갖는 스피논과 같은 특이한 여기(excitation) 상태를 가질 수 있다.[15] 대표적인 예는 전하는 중성이지만 스핀 을 갖는 스피논 여기이다. 스핀 액체에서 스핀이 원자가 결합에서 짝을 이루지 않으면 스피논이 생성된다. 스피논은 낮은 에너지 비용으로 근처의 원자가 결합을 재배열하여 이동할 수 있다.
스피논이 스핀 액체에서 움직이는 모습
2. 2. 2. 안정적인 RVB 상태의 실현
P. W. 앤더슨이 1973년에 처음 제안한 공명 원자가 결합(RVB) 상태는 고온 초전도체 물리학에서 중요한 역할을 하는 것으로 여겨져 이론적으로 매우 중요하다.[42] RVB 상태는 모든 가장 가까운 이웃 결합 구성의 동일한 진폭 중첩으로 구성된다. 최초의 RVB 상태는 스피논 등을 가두어 갭리스(gapless) 게이지장을 포함하는 것으로 생각되었으나, 이는 불안정하여 양자 스핀 위상에 해당하지 않는다. 이는 두 개의 안정적인 위상 사이의 임계 위상 전이점을 설명할 수 있다.[46]
이후 안정적이며 비구속 스피논을 포함하는 RVB 상태의 한 버전으로 카이럴 스핀 상태가 제안되었다.[45][47] 또한, 비구속 스피논을 갖는 또 다른 안정적인 RVB 상태인 Z2 스핀 액체가 제안되었는데,[48][49] 이는 가장 단순한 위상 순서인 Z2 위상 순서를 실현한다. 카이럴 스핀 상태와 Z2 스핀 액체 상태는 모두 동일한 부분 격자를 연결하는 긴 RVB 결합을 가지고 있다. 카이럴 스핀 상태에서 서로 다른 결합 구성은 복소 진폭을 가질 수 있지만, Z2 스핀 액체 상태에서는 서로 다른 결합 구성이 실수 진폭만 갖는다. 삼각 격자에서의 RVB 상태 또한 Z2 스핀 액체를 실현하며,[50] 여기서 서로 다른 결합 구성은 실수 진폭만 갖는다. 토릭 코드 모델은 스핀 회전 대칭성을 명시적으로 깨뜨리고 정확하게 풀 수 있는 Z2 스핀 액체(및 Z2 위상 순서)의 또 다른 실현 예이다.[51]
3. 실험적 특징 및 탐침
헤르베르트스미사이트, QSL 거동을 보이는 바닥 상태가 있는 것으로 밝혀진 광물
양자 스핀 액체(QSL)는 강자성체나 반강자성체와는 달리, 매우 낮은 온도에서도 스핀이 규칙적으로 배열되지 않고 액체처럼 무질서한 상태를 유지한다. 이러한 양자 스핀 액체는 위상학적 질서, 장거리 양자 얽힘, 애니온 여기와 같은 독특한 특성을 갖는다.[16][12][15]
양자 스핀 액체는 단일 실험으로는 확인하기 어렵기 때문에, 여러 실험을 종합하여 판단해야 한다.
3. 1. 자기 감수율
고온의 고전적인 상자성체 위상에서 자기 감수율은 퀴리-바이스 법칙에 의해 주어진다. 실험 데이터를 이 방정식에 맞추면 현상학적 퀴리-바이스 온도 가 결정된다. 물질에 자기적 정렬이 발생하기 시작하는 두 번째 온도 는 에서 비해석적 특징으로 나타난다. 이 둘의 비율을 '''좌절 매개변수'''라고 한다.
