기계/재료

전압 변화시켜 이중층 그래핀의 초전도 제어

발행일 : 2019 / 11 / 12

스페인, 미국, 중국, 일본 등 국가의 전문가들로 구성된 국제연구팀은 매우 작은 전압 변화만으로도 이중층 그래핀(bi-layer graphene)의 초전도성을 개폐할 수 있음으로 전자설비에서의 용도를 개선할 수 있음을 발견했다. 이는 앞서 수행된 왜곡 이중층 그래핀 및 그에서 표현된 초전도/절연영역 교체 능력 관련 연구를 기반으로 획득한 새 발견이다.

2011년에 텍사스대학교 오스틴캠퍼스의 이론물리학자 Allan MacDonald 등은 2차원 재료의 한 원자층이 상대적으로 다른 원자층에 비해 조금 왜곡될 시 적층 2D 재료에서의 전자 거동을 설명할 수 있는 모형을 연구했다. 관련 연구방법을 왜곡 이중층 그래핀에 응용한 결과, 약 1.1°의 매우 특정적인 각도(마법의 각)에서 전자 이동속도가 갑자기 100배 이상 느려지는 등 기이한 비정상적 운동방식을 나타냈다.

2018년에 매사추세츠공과대학교 물리학자는 최초로 1.1° 왜곡된 층상 그래핀시스템을 구축했다. 해당 그래핀시스템은 탁월한 성능을 나타냈는데 특히 고온 조건에서 예상외로 초전도성을 보유했다.

그 후 왜곡 이중층 그랜핀에서 초전도성이 발견되면서 Twistronics 회전각전자학이라 불리는 새 학문분야가 탄생해 연구 붐을 일으켰다.

층상 2D재료의 기이한 속성은 아마도 입자 간 상호작용과 연관이 있다. 전자가 속도를 늦출시 상호작용이 더 부각되어 각 전자 간의 상관성은 강해진다. 일반적으로 전자는 원자궤도에서 거의 제각각 원자핵을 둘러싸고 돌며 가장 적은 유효에너지로 양자상태에 진입한다. 하지만 “마법의 각” 그래핀에서는 다르다. 다시 말해 전자의 운명이 전자 간 상호작용에 의해 결정될 경우 재미있는 현상이 발생한다.

최근 몇 년 동안 MacDonald 연구팀은 3,4,5층 그래핀과 기타 유망한 재료 특히 전이금속 칼코게나이드(chalcogenide)의 적층방식 연구를 통해 비범하면서도 유용한 현상을 탐색 중이다.

최근 국제연구팀은 “마법의 각” 그래핀 재료가 교체적 초전도 및 절연상(insulating phase)을 나타낼 수 있으며 또한 매우 낮은 전압변화 조건에서 개폐됨을 발견했다. 이는 집적회로에 사용하는 전압과 유사해 전자설비에서의 실용성을 증대시킨다. 해당 결과를 얻기 위해 카탈루냐광학물리연구소 연구팀은 왜곡도가 기존보다 향상된 그래핀 초격자를 제조해 교차 절연상태/초전도상태 패턴이 생각보다 복잡함을 발견했다. 상기 “마법의 각” 그래핀 관련 연구 성과는 “Nature”에 게재되었다.

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