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Aug 09, 2023

연구: "마법"에서 초전도 스위치가 켜지고 꺼집니다.

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MIT 물리학자들은 조심스럽게 비틀고 쌓아올림으로써 "마법의 각도" 그래핀에서 새롭고 이국적인 특성을 발견했습니다. 즉, 전등 스위치처럼 전기 펄스로 켜고 끌 수 있는 초전도성입니다.

이번 발견은 뉴로모픽 장치를 위한 초고속, 에너지 효율적인 초전도 트랜지스터로 이어질 수 있습니다. 전자 장치는 인간 두뇌의 뉴런이 빠르게 켜지고 꺼지는 방식과 유사한 방식으로 작동하도록 설계되었습니다.

매직 앵글 그래핀(Magic-angle graphene)은 탄소 원자로 만들어진 원자처럼 얇은 물질인 그래핀이 철조망과 비슷한 육각형 패턴으로 연결되어 있는 매우 특수한 적층을 의미합니다. 한 장의 그래핀이 정확한 "마법의" 각도로 두 번째 시트 위에 쌓이면 뒤틀린 구조가 약간 오프셋된 "모아레" 패턴, 즉 초격자를 생성하여 수많은 놀라운 전자 동작을 지원할 수 있습니다.

2018년 MIT의 Pablo Jarillo-Herrero와 그의 그룹은 마법의 각도로 뒤틀린 이중층 그래핀을 최초로 시연했습니다. 그들은 새로운 이중층 구조가 특정 연속 전기장을 가할 때 나무처럼 절연체처럼 거동할 수 있음을 보여주었습니다. 그들이 자기장을 높이자 절연체는 갑자기 초전도체로 변해 전자가 마찰 없이 흐르게 했습니다.

이 발견은 2차원 물질의 비틀림과 적층에서 특정 전자 특성이 어떻게 나타나는지 탐구하는 "트위스트로닉스(twistonics)" 분야의 분수령이었습니다. Jarillo-Herrero를 포함한 연구자들은 서로 다른 전자 상태 사이에서 재료를 전환하는 다양한 방법을 포함하여 매직 앵글 그래핀의 놀라운 특성을 계속해서 밝혀 왔습니다. 지금까지 이러한 "스위치"는 연구자들이 초전도성을 켜고 계속 유지하기 위해 전기장이나 자기장을 지속적으로 적용해야 한다는 점에서 조광기처럼 작동했습니다.

이제 Jarillo-Herrero와 그의 팀은 마법각 그래핀의 초전도성이 지속적인 전기장이 아닌 짧은 펄스만으로 켜지고 유지될 수 있음을 보여주었습니다. 그들이 발견한 핵심은 비틀기와 쌓기의 조합이었습니다.

오늘 Nature Nanotechnology에 게재된 논문에서 팀은 2차원 절연 재료인 질화붕소의 두 오프셋 층 사이에 마법각 그래핀을 적층함으로써 샌드위치 구조의 독특한 정렬을 통해 연구원들이 그래핀의 초전도성을 활성화할 수 있었다고 보고했습니다. 그리고 짧은 전기 펄스로 꺼집니다.

MIT의 Cecil and Ida Green 물리학 교수인 Jarillo-Herrero는 "대부분의 재료에 대해 전기장을 제거하면 zzzzip, 전기 상태가 사라진다"고 말했습니다. "갑자기 전기적으로 켜고 끌 수 있는 초전도 물질이 만들어진 것은 이번이 처음입니다. 이는 차세대 트위스트 그래핀 기반 초전도 전자 장치의 길을 열 수 있습니다."

그의 MIT 공동 저자는 수석 저자 Dahlia Klein PhD '21, 대학원생 Li-Qiao Xia, 전 박사후 연구원 David MacNeill, 일본 국립 재료 과학 연구소의 Kenji Watanabe 및 Takashi Taniguchi입니다.

스위치 뒤집기

2019년 스탠포드 대학의 한 팀은 마법각 그래핀이 강자성 상태로 강제될 수 있음을 발견했습니다. 강자성체는 외부에서 자기장이 가해지지 않아도 자기 특성을 유지하는 물질입니다.

연구진은 매직 앵글 그래핀이 켜거나 끌 수 있는 방식으로 강자성 특성을 나타낼 수 있음을 발견했습니다. 이는 그래핀의 결정 구조가 질화붕소 층 중 하나에 정렬되도록 그래핀 시트가 두 개의 질화붕소 시트 사이에 적층되었을 때 발생했습니다. 배열은 빵의 상단 조각과 치즈 방향이 정렬되어 있지만 빵의 하단 조각이 상단 조각에 대해 임의의 각도로 회전되는 치즈 샌드위치와 유사했습니다. 그 결과는 MIT 그룹의 흥미를 끌었습니다.