과학 및 양자 물리학에서 '마법의 각도'로 불리는 뒤틀린 이중층 그래핀(TBLG)의 모어 줄무늬와 평탄 띠 현상은 과학자들의 큰 관심을 불러일으켰지만, 여러 특성에 대해서는 열띤 논쟁이 벌어지고 있습니다. 최근 과학 저널 '사이언스 프로그레스(Science Progress)'에 발표된 새로운 연구에서, 미국과 일본의 물리학 및 재료과학부 소속 에밀리오 콜레도(Emilio Colledo) 연구팀은 뒤틀린 이중층 그래핀에서 초전도 현상과 유사한 특성을 관찰했습니다. 모트 절연체 상태는 약 0.93도의 뒤틀림 각도를 가지는데, 이는 이전 연구에서 계산된 '마법의 각도'(1.1도)보다 15% 작은 값입니다. 이번 연구는 뒤틀린 이중층 그래핀의 '마법의 각도' 범위가 기존 예상보다 넓다는 것을 보여줍니다.
본 연구는 양자 물리학 응용 분야에서 뒤틀린 이중층 그래핀의 강력한 양자 현상을 해독하는 데 필요한 풍부한 새로운 정보를 제공합니다. 물리학자들은 인접한 반데르발스 층 사이의 상대적인 비틀림 각도를 "트위스트로닉스(Twistronics)"라고 정의하여 그래핀에서 모아레와 평탄 밴드를 생성합니다. 이 개념은 2차원 물질 기반 소자의 특성을 크게 변화시키고 맞춤화하여 전류 흐름을 구현하는 새롭고 독창적인 방법으로 자리 잡았습니다. "트위스트로닉스"의 놀라운 효과는 연구진의 선구적인 연구에서 입증되었는데, 두 개의 단일층 그래핀을 "마법의 각도"인 θ=1.1±0.1°의 비틀림 각도로 쌓았을 때 매우 평탄한 밴드가 나타난다는 것을 보여주었습니다.
본 연구에서는 뒤틀린 이중층 그래핀(TBLG)에서 '마법의 각도'에 위치한 초격자 구조의 첫 번째 마이크로스트립(구조적 특징)의 절연상이 부분적으로 채워져 있음을 확인했습니다. 연구팀은 이것이 약간 높거나 낮은 도핑 농도에서 초전도성을 나타내는 모트 절연체(초전도 특성을 가진 절연체)임을 밝혀냈습니다. 상평형 그림은 초전도 전이 온도(Tc)와 페르미 온도(Tf) 사이에서 고온 초전도체임을 보여줍니다. 이 연구는 그래핀의 밴드 구조, 위상 및 추가적인 '마법의 각도' 반도체 시스템에 대한 큰 관심과 이론적 논쟁을 불러일으켰습니다. 초기 이론 보고서에 비해 실험 연구는 드물고 이제 막 시작 단계입니다. 본 연구에서는 '마법의 각도'를 갖는 뒤틀린 이중층 그래핀에 대한 투과율 측정을 수행하여 관련 절연 및 초전도 상태를 보여주었습니다.
기존의 "매직 앵글"보다 15% 작은 0.93 ± 0.01이라는 예상치 못한 왜곡된 각도가 관찰되었으며, 이는 현재까지 보고된 가장 작은 값일 뿐만 아니라 초전도 특성을 나타낸다. 이러한 결과는 새로운 상관 상태가 첫 번째 마이크로스트립 그래핀 너머, 기본 "매직 앵글"보다 작은 각도에서 "매직 앵글" 트위스트 이중층 그래핀에 나타날 수 있음을 시사한다. 연구팀은 이러한 "매직 혼" 트위스트 이중층 그래핀 소자를 제작하기 위해 "찢어서 쌓기" 방식을 사용했다. 육각형 질화붕소(BN) 층 사이의 구조는 캡슐화되었고, 여러 개의 와이어가 Cr/Au(크롬/금) 에지 접점에 연결된 홀 로드 형상으로 패턴화되었다. 전체 "매직 앵글" 트위스트 이중층 그래핀 소자는 후면 게이트로 사용된 그래핀 층 위에 제작되었다.
과학자들은 HE4 및 HE3 극저온 용기 내 소자를 측정하기 위해 표준 직류(DC) 및 교류(AC) 잠금 기술을 사용했습니다. 연구팀은 소자의 종방향 저항(Rxx)과 확장된 게이트 전압(VG) 범위 사이의 관계를 기록하고 1.7K 온도에서 자기장 B를 계산했습니다. 작은 전자-정공 비대칭성은 "매직 앵글"로 비틀린 이중층 그래핀 소자의 고유한 특성으로 관찰되었습니다. 이전 연구에서 관찰된 바와 같이, 연구팀은 이러한 결과를 기록하고 지금까지 초전도 현상을 보였던 소자에 대한 자세한 보고서를 작성했습니다. 특징적인 "매직 앵글"은 이중층 그래핀 소자의 최소 비틀림 각도를 나타냅니다. 란다우 팬 차트를 자세히 분석한 결과, 연구원들은 몇 가지 주목할 만한 특징을 발견했습니다.
예를 들어, 절반 충전 시의 피크와 란다우 준위의 이중 퇴화는 이전에 관찰된 모멘트 유사 절연 상태와 일치합니다. 연구팀은 근사 스핀 밸리 SU(4)의 대칭성 파괴와 새로운 준입자 페르미 표면의 형성을 보여주었습니다. 그러나 세부 사항은 더 자세한 조사가 필요합니다. 이전 연구와 유사하게 Rxx(종방향 저항)가 증가하는 초전도 현상도 관찰되었습니다. 연구팀은 초전도 상의 임계 온도(Tc)를 조사했습니다. 이 샘플에서 초전도체의 최적 도핑에 대한 데이터가 얻어지지 않았기 때문에 과학자들은 임계 온도를 최대 0.5K로 가정했습니다. 그러나 초전도 상태에서 명확한 데이터를 얻을 수 있을 때까지 이러한 장치는 효과적이지 않습니다. 초전도 상태를 더 자세히 조사하기 위해 연구원들은 다양한 캐리어 밀도에서 장치의 4단자 전압-전류(VI) 특성을 측정했습니다.
측정된 저항 값은 초전류가 더 넓은 전류 밀도 범위에서 관찰되며, 평행 자기장이 가해질 때 초전류가 억제됨을 보여줍니다. 연구에서 관찰된 현상을 더 자세히 이해하기 위해 연구진은 비스트리처-맥도널드 모델과 개선된 매개변수를 사용하여 "매직 앵글" 트위스트 이중층 그래핀 소자의 모아르 밴드 구조를 계산했습니다. 기존의 "매직 앵글" 계산 결과와 비교했을 때, 계산된 저에너지 모아르 밴드는 고에너지 밴드와 분리되지 않았습니다. 소자의 트위스트 각도는 기존 연구에서 계산된 "매직 앵글" 각도보다 작지만, 이전 연구(모르트 절연 및 초전도)와 밀접하게 관련된 현상이 나타났으며, 이는 물리학자들에게 예상치 못한 놀라운 발견이었습니다.
높은 밀도(각 에너지에서 이용 가능한 상태 수)에서의 거동을 추가적으로 평가한 결과, 과학자들이 관찰한 특성은 새롭게 나타나는 연관 절연 상태에 기인하는 것으로 밝혀졌습니다. 향후, 절연 상태의 특이한 양상을 이해하고 이를 양자 스핀 액체로 분류할 수 있는지 여부를 판단하기 위해 상태 밀도(DOS)에 대한 보다 상세한 연구가 진행될 예정입니다. 이러한 방식으로, 과학자들은 작은 비틀림 각도(0.93°)를 가진 비틀린 이중층 그래핀 소자에서 Mox 유사 절연 상태 근처에서 초전도 현상을 관찰했습니다. 본 연구는 이러한 작은 각도와 높은 밀도에서도 모아레 특성에 대한 전자 상관관계의 영향이 동일하다는 것을 보여줍니다. 앞으로 절연상의 스핀 밸리를 연구하고, 더 낮은 온도에서 나타나는 새로운 초전도상을 연구할 계획입니다. 이러한 현상의 근원을 이해하기 위해 실험 연구와 이론적 연구를 병행할 것입니다.
게시 시간: 2019년 10월 8일