과학 및 양자 물리학에서 "매직 앵글(Magic Angle)"이라고 불리는 모어 줄무늬(Mohr stripes)와 평탄 띠(flat belts)의 거동은 과학자들의 큰 관심을 불러일으켰지만, 많은 특성이 뜨거운 논쟁에 직면해 있습니다. 에밀리오 콜레도(Emilio Colledo)와 미국 및 일본 물리학 및 재료과학부 연구진은 사이언스 프로그레스(Science Progress) 저널에 발표한 새로운 연구에서, 꼬인 이중층 그래핀에서 초전도성과 유사성을 관찰했습니다. 모트 절연체 상태의 꼬임각은 약 0.93도입니다. 이 각은 이전 연구에서 계산된 "매직 앵글" 각도(1.1°)보다 15% 작습니다. 이 연구는 꼬인 이중층 그래핀의 "매직 앵글" 범위가 이전에 예상했던 것보다 더 넓음을 보여줍니다.
이 연구는 양자 물리학 응용을 위해 꼬인 이중층 그래핀의 강한 양자 현상을 해석하는 데 필요한 풍부한 새로운 정보를 제공합니다. 물리학자들은 "트위스트로닉스"를 그래핀에 모아레와 평탄한 띠를 생성하기 위해 인접한 반데르발스 층 사이의 상대적인 비틀림 각도로 정의합니다. 이 개념은 2차원 재료를 기반으로 소자 특성을 크게 변화시키고 맞춤화하여 전류 흐름을 구현하는 새롭고 독창적인 방법으로 자리 잡았습니다. "트위스트로닉스"의 놀라운 효과는 연구진의 선구적인 연구에서 잘 드러났는데, 두 개의 단일층 그래핀 층을 "매직 앵글" 비틀림 각도 θ=1.1±0.1°로 적층했을 때 매우 평탄한 띠가 나타난다는 것을 보여주었습니다.
본 연구에서는 꼬인 이중층 그래핀(TBLG)에서 "매직 앵글"에 위치한 초격자의 첫 번째 마이크로스트립(구조적 특징)의 절연 상이 반충전(semi-filled)된 것을 확인했습니다. 연구팀은 이 상이 약간 더 높거나 낮은 도핑 수준에서 초전도성을 나타내는 모트 절연체(초전도 특성을 가진 절연체)임을 확인했습니다. 상도는 초전도 전이 온도(Tc)와 페르미 온도(Tf) 사이의 고온 초전도체를 보여줍니다. 이 연구는 그래핀 밴드 구조, 토폴로지, 그리고 추가적인 "매직 앵글" 반도체 시스템에 대한 큰 관심과 이론적 논쟁을 불러일으켰습니다. 초기 이론 보고와 비교했을 때, 실험 연구는 매우 드물며 이제 막 시작되었습니다. 본 연구에서 연구팀은 "매직 앵글" 꼬인 이중층 그래핀에 대한 투과율 측정을 수행하여 관련 절연 및 초전도 상태를 확인했습니다.
예상치 못하게 왜곡된 각도 0.93 ± 0.01은 기존 "매직 앵글"보다 15% 작으며, 지금까지 보고된 것 중 가장 작으며 초전도 특성을 나타냅니다. 이러한 결과는 새로운 상관 관계가 그래핀의 첫 번째 마이크로스트립을 넘어 1차 "매직 앵글"보다 낮은 "매직 앵글" 꼬인 이중층 그래핀에 나타날 수 있음을 나타냅니다. 이러한 "매직 혼" 꼬인 이중층 그래핀 소자를 구축하기 위해 연구팀은 "찢어 쌓기" 방식을 사용했습니다. 육각형 질화붕소(BN) 층 사이의 구조는 캡슐화되고, Cr/Au(크롬/금) 에지 접점에 연결된 여러 와이어가 있는 홀 로드 기하 구조로 패터닝됩니다. 전체 "매직 앵글" 꼬인 이중층 그래핀 소자는 백 게이트로 사용된 그래핀 층 위에 제작되었습니다.
과학자들은 펌핑형 HE4 및 HE3 저온유지장치의 소자를 측정하기 위해 표준 직류(DC) 및 교류(AC) 잠금 기술을 사용합니다. 연구팀은 소자의 종방향 저항(Rxx)과 확장 게이트 전압(VG) 범위 간의 관계를 기록하고 1.7K의 온도에서 자기장 B를 계산했습니다. 작은 전자-정공 비대칭은 "매직 앵글" 꼬인 이중층 그래핀 소자의 고유한 특성으로 관찰되었습니다. 이전 보고서에서 관찰된 바와 같이, 연구팀은 이러한 결과를 기록하고 지금까지 초전도 현상을 보인 보고들을 자세히 설명했습니다. 특징적인 "매직 앵글"은 이중층 그래핀 소자의 최소 비틀림 각도를 비틀어줍니다. 란다우 팬 차트를 자세히 검토한 결과, 연구진은 몇 가지 주목할 만한 특징을 발견했습니다.
예를 들어, 반 충진 시 피크와 란다우 준위의 2배 축퇴는 이전에 관찰된 모멘트 유사 절연 상태와 일치합니다. 연구팀은 대략적인 스핀 밸리 SU(4)의 대칭성이 깨지고 새로운 준입자 페르미 표면이 형성되는 것을 보였습니다. 그러나 세부 사항은 더 자세한 조사가 필요합니다. 초전도 현상도 관찰되었는데, 이는 이전 연구와 유사하게 Rxx(종방향 저항)를 증가시켰습니다. 연구팀은 그 후 초전도상의 임계 온도(Tc)를 조사했습니다. 이 샘플에서 초전도체의 최적 도핑에 대한 데이터를 얻지 못했기 때문에 과학자들은 최대 0.5K의 임계 온도를 가정했습니다. 그러나 이러한 소자는 초전도 상태에서 명확한 데이터를 얻을 때까지 효과가 없습니다. 초전도 상태를 더 자세히 조사하기 위해 연구진은 다양한 캐리어 밀도에서 소자의 4단자 전압-전류(VI) 특성을 측정했습니다.
얻어진 저항은 더 넓은 밀도 범위에서 초전류가 관찰되고 평행 자기장이 인가될 때 초전류가 억제됨을 보여줍니다. 이 연구에서 관찰된 거동에 대한 통찰력을 얻기 위해 연구진은 Bistritzer-MacDonald 모델과 개선된 매개변수를 사용하여 "Magic Angle" 꼬인 이중층 그래핀 소자의 모아레 밴드 구조를 계산했습니다. "Magic Angle" 각도의 이전 계산과 비교했을 때, 계산된 저에너지 모아레 밴드는 고에너지 밴드와 분리되지 않았습니다. 소자의 꼬임 각도는 다른 곳에서 계산된 "Magic Angle" 각도보다 작지만, 이 소자는 이전 연구(모르트 절연 및 초전도)와 밀접하게 관련된 현상을 가지고 있으며, 물리학자들은 이것이 예상치 못한 것이며 실현 가능하다고 발견했습니다.
과학자들이 관찰한 특성은 높은 밀도(각 에너지에서 이용 가능한 상태 수)에서의 거동을 추가로 평가한 후, 새롭게 나타난 관련 절연 상태에 기인하는 것으로 밝혀졌습니다. 향후에는 절연의 기이한 상태를 이해하고 이를 양자 스핀 액체로 분류할 수 있는지 확인하기 위해 상태 밀도(DOS)에 대한 보다 상세한 연구가 수행될 것입니다. 이러한 방식으로 과학자들은 작은 비틀림 각도(0.93°)를 갖는 꼬인 이중층 그래핀 소자에서 Mox 유사 절연 상태 근처에서 초전도성을 관찰했습니다. 이 연구는 이처럼 작은 각도와 높은 밀도에서도 전자 상관관계가 모아레 특성에 미치는 영향이 동일함을 보여줍니다. 향후에는 절연 상의 스핀 밸리를 연구하고, 더 낮은 온도에서 새로운 초전도 상을 연구할 것입니다. 이러한 거동의 기원을 이해하기 위해 실험 연구와 이론적 노력을 결합할 것입니다.
게시 시간: 2019년 10월 8일