Thomas-Fermi screening of electrostatic fields in a type-I superconductor
단결정 Pb(111)에 대한 qPlus 원자간력 현미경 및 주사 터널링 현미경을 사용하여, 본 연구는 제1종 초전도체에서의 정전기적 차폐가 런던 침투 깊이가 아닌 토마스-페르미 길이에 의해 지배됨을 실험적으로 입증함으로써, J. E. Hirsch의 대안 이론을 반박하고 초전도 상태로 진입하더라도 종방향 응답은 변하지 않음을 확인하였다.
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거의 한 세기 동안 물리학자들은 초전도체가 어떻게 작동하는지 설명하기 위해 일련의 규칙들에 의존해 왔습니다. 저항 없이 전기를 전도하는 이 물질들은 자기장을 밀어내는 현상인 마이스너 효과로 유명합니다. 이러한 배출은 초전도체가 자기력선을 밀어내는 방패를 만들기 때문에 발생하지만, 이는 런던 침투 깊이라고 불리는 특정 거리 내에서만 일어납니다. 수십 년 동안 표준적인 견해는 초전도체가 자기장을 차단하는 데는 매우 뛰어나지만, 정전기장에 대해서는 어떻게 처리하는지를 변화시키지는 않는다는 것이었습니다. 이 전통적인 이해에 따르면, 초전도체 근처의 전기장은 일반 금속에서와 마찬가지로 원자 하나의 너비 정도인 매우 짧은 거리 내에서 차단되거나 막힙니다. 그러나 몇 년 전, J. E. 허쉬(J. E. Hirsch)라는 물리학자가 다른 아이디어를 제안했습니다. 그는 초전도체가 전기장을 차단하는 규칙이 자기장이 그러한 규칙과 같을 수도 있다고 제안했습니다. 만약 그의 이론이 옳다면, 물질이 냉각되어 초전도 상태가 될 때 전기장을 차단하는 거리가 원자의 너비에서 수천 배 더 긴 거리로 갑 much 더 길어질 것입니다. 이 가능성은 우리의 근본적인 이해를 다시 써야 한다는 것을 의미했기에 논쟁을 불러일으켰으며, 전기장으로 초전도체를 제어하는 데 의존하는 미래의 전자 기기들에 잠재적인 결과를 초래할 수 있습니다.
노팅엄 대학교의 연구팀은 초전도체의 표면을 직접 관찰함으로써 이 질문을 해결하기로 결정했습니다. 그들은 극저온에서 초전도 상태가 되는 금속인 납의 단결정을 선택했습니다. 상충하는 아이디어들을 테스트하기 위해, 그들은 표면 바로 곳에서 미세한 전기장에 물질이 어떻게 반응하는지 측정해야 했습니다. 그들은 날카로운 팁과 표면 사이의 힘을 느낄 수 있고 또한 전자의 흐름을 측정할 수 있는 주사 터널링 현미경이라는 매우 민감한 장비를 사용했습니다. 연구진은 납 샘플을 약 340 밀리켈빈까지 냉각했는데, 이는 납이 정상적으로 초전도 상태가 되는 지점의 5퍼센트에 불과한 매우 낮은 온도입니다. 이 온도에서 물질은 확고한 초전도 상태에 있습니다. 이 상태를 정상 상태와 비교하기 위해, 그들은 표면에 200 밀리테슬라의 자기장을 가했습니다. 이 자기장은 온도를 바꾸거나 현미경 팁의 위치를 옮기지 않고도 초전도성을 파괴하여 납을 다시 일반 금속으로 되돌리기에 충분히 강했습니다. 자기장을 켜고 끄는 과정을 통해, 그들은 표면의 정확히 같은 지점을 초전도 상태와 정상 상태 모두에서 관찰할 수 있었습니다.
연구팀은 전기적 차폐가 변하는지 확인하기 위해 두 가지 서로 다른 것을 측정했습니다. 첫째, 그들은 현미경 팁을 표면에 더 가까이 또는 더 멀리 이동시키면서 팁과 샘플 사이의 힘을 측정했습니다. 만약 허쉬가 예측한 것처럼 초전도 상태에서 전기장이 훨씬 더 긴 거리 동안 차단된다면, 팁이 느끼는 힘은 눈에 띄게 변할 것입니다. 그들은 동일한 지점에서 수십 번의 측정을 수행하여 결과를 평균 냈고, 이를 통해 명확한 그림을 얻었습니다. 데이터에 따르면, 납이 초전도 상태이든 정상 상태이든 힘은 정확히 동일했습니다. 두 상태 사이의 차이는 너무 작아서 측정 과정의 자연스러운 노이즈 속에 묻혀 있었으며, 장거리 전기 차폐의 개념을 뒷받침하기에는 너무나 미미했습니다.
완벽하게 확신하기 위해, 연구진은 두 번째의 독립적인 방법을 사용했습니다. 그들은 팁에서 샘플로 전자가 뛰어드는 에너지, 즉 전계 방출 공명이라 불리는 뚜렷한 패턴을 만들어내는 과정을 관찰했습니다. 이 패턴들은 표면 바로 곳의 전기적 환경을 나타내는 지문 역할을 합니다. 만약 전기적 차폐 길이가 변했다면, 이 전자들의 에너지 준위는 이동했을 것입니다. 연구진은 초전도 상태에서의 에너지 패턴을 정상 상태에서의 패턴과 비교했습니다. 패턴들은 완벽하게 겹쳐졌으며, 에너지의 이동은 측정되지 않았습니다. 이는 전기장이 여전히 짧은 거리 내에서 차단되고 있음을 확인시켜 주었습니다.
결과는 결정적이었습니다. 연구진은 정상 상태와 초전도 상태 사이의 전기적 차폐 변화가 1퍼센트 미만임을 발견했습니다. 이는 허쉬의 이론이 예측했던 것보다 수백 배 더 작은 수치입니다. 이 데이터는 물질이 초전도체가 될 때 차폐 길이가 자기 방패의 크기로 확장된다는 아이디어를 배제했습니다. 대신, 이 결과는 전통적인 견해를 뒷받침합니다. 즉, 자기장을 차단하는 마이스너 효과는 정전기장을 차단하는 방식에 영향을 미치지 않는 별개의 현상이라는 것입니다. 전기장은 물질이 초전도체이든 일반 금속이든 상관없이 원자 하나의 아주 작은 거리 내에서 계속해서 차단됩니다. 이 연구는 이 특정한 이론적 논쟁에 종지부를 찍었으며, 초전도체에서 전기장과 자기장의 규칙이 가장 근본적인 수준에서도 여전히 구별된다는 것을 확인해 주었습니다.
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