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Nov 01, 2023

모아레 혼합

2023년 7월 27일 이 기사는 Science X의 편집 과정 및 정책에 따라 검토되었습니다. 편집자들은 콘텐츠의 신뢰성을 보장하면서 다음 특성을 강조했습니다.

2023년 7월 27일

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맨체스터 대학교

맨체스터 대학교 국립 그래핀 연구소(NGI)의 연구원들은 지구상에서 가장 오래된 물질 중 하나인 흑연을 재검토하여 수십 년 동안 이 분야에서 발견되지 않았던 새로운 물리학을 발견했습니다.

천연흑연은 탄소 원자가 벌집 모양으로 배열된 층으로 이루어져 있음에도 불구하고 생각만큼 단순하지 않습니다. 이러한 원자층이 서로 쌓이는 방식으로 인해 연속적인 원자 평면의 서로 다른 적층 순서를 특징으로 하는 다양한 유형의 흑연이 생성될 수 있습니다.

자연적으로 나타나는 흑연의 대부분은 육각형으로 쌓여 있어 지구상에서 가장 "일반적인" 재료 중 하나입니다. 흑연 결정의 구조는 반복적인 패턴입니다. 이 패턴은 결정 표면에서 교란되어 소위 '표면 상태'로 이어집니다. 이는 결정 속으로 더 깊이 들어갈수록 천천히 사라지는 파동과 같습니다. 그러나 흑연의 표면 상태가 어떻게 조정될 수 있는지는 아직 잘 이해되지 않았습니다.

반데르발스 기술과 트위스트트로닉스(두 개의 2D 결정체를 트위스트 각도로 쌓아서 경계면에 형성된 모아레 패턴으로 인해 결과 구조의 특성을 크게 조정함)는 2D 재료 연구의 두 가지 주요 분야입니다. 이제 Artem Mishchenko 교수가 이끄는 NGI 연구팀은 모아레 패턴을 사용하여 흑연의 표면 상태를 조정합니다. 이는 렌즈를 회전할 때마다 그림이 끊임없이 변하는 만화경을 연상시켜 흑연 뒤에 숨겨진 놀라운 새로운 물리학을 드러냅니다.

특히, Mishchenko 교수는 트위스트론 기술을 3차원 흑연으로 확장하여 모아레 전위가 흑연의 표면 상태를 수정할 뿐만 아니라 흑연 결정 전체의 전자 스펙트럼에도 영향을 미친다는 사실을 발견했습니다. 공주와 완두콩의 유명한 이야기처럼, 공주는 20개의 매트리스와 20개의 오리털 침대 사이로 완두콩을 느꼈습니다. 흑연의 경우, 정렬된 경계면의 모아레 전위는 40개 이상의 원자 흑연 층을 통과할 수 있습니다.

네이처(Nature) 최신호에 발표된 이 연구는 육각형 질화붕소와의 결정학적 정렬에 의해 생성된 벌크 육각형 흑연의 모아레 패턴 효과를 연구했습니다. 가장 흥미로운 결과는 흑연의 표면 상태와 벌크 상태의 2.5차원 혼합을 관찰한 것이며, 이는 새로운 유형의 프랙탈 양자 홀 효과(2.5D Hofstadter 나비)로 나타납니다.

이미 흑연에서 2.5차원 양자 홀 효과를 발견한 맨체스터 대학의 아르템 미쉬첸코(Artem Mishchenko) 교수는 “흑연은 유명한 그래핀을 탄생시켰지만 일반적으로 사람들은 이 ‘오래된’ 물질에 관심을 두지 않는다. 지난 몇 년 동안 다양한 적층 및 정렬 순서로 흑연에 대해 축적된 지식에도 불구하고 우리는 흑연이 여전히 매우 매력적인 시스템이라는 것을 알았습니다. 아직 탐구해야 할 부분이 너무 많습니다."

논문의 주요 저자 중 한 명인 Ciaran Mullan은 "우리의 연구는 2D뿐만 아니라 3D 재료에서도 트위스트론을 통해 전자 특성을 제어할 수 있는 새로운 가능성을 열어줍니다."라고 덧붙였습니다.

국립 그래핀 연구소(National Graphene Institute) 소장이자 물리천문학부 이론물리학자인 Vladimir Fal'ko 교수는 "흑연의 특이한 2.5D 양자 홀 효과는 두 가지 양자 물리학 교과서 현상, 즉 란다우 양자화 간의 상호 작용으로 발생합니다"라고 덧붙였습니다. 강한 자기장과 양자 구속을 통해 또 다른 새로운 유형의 양자 효과를 이끌어냅니다."