새로운 연구에서 그래핀의 이국적인 전자 결정 발견

브리티시 컬럼비아 대학교, 워싱턴 대학교, 존스 홉킨스 대학교의 연구원들은 맞춤형으로 설계된 그래핀 구조에서 새로운 종류의 양자 상태를 발견했습니다. 오늘 Nature 에 발표된 이 연구는 꼬인 이중층-삼중층 그래핀에서 위상 전자 결정을 발견했다고 보고합니다. 이 시스템은 쌓인 2차원 재료 사이에 정확한 회전 꼬임을 도입하여 만들어졌습니다.

"이 작업의 시작점은 벌집 구조로 배열된 탄소 원자로 구성된 두 개의 그래핀 조각입니다. 전자가 탄소 원자 사이를 껑충껑충 뛰어다니는 방식이 그래핀의 전기적 특성을 결정하는데, 이는 구리와 같은 보다 일반적인 도체와 표면적으로 유사합니다." UBC의 물리학 및 천문학과와 Blusson Quantum Matter Institute(UBC Blusson QMI)의 멤버인 Joshua Folk 교수의 말입니다.

"다음 단계는 두 개의 플레이크를 서로 꼬아 쌓는 것입니다. 이렇게 하면 모아레 패턴이라고 알려진 기하학적 간섭 효과가 발생합니다. 스택의 일부 영역에는 두 플레이크의 탄소 원자가 서로 바로 위에 있고, 다른 영역에는 원자가 오프셋되어 있습니다."라고 Folks는 말했습니다.

"전자가 꼬인 스택에서 이 모아레 패턴을 뛰어넘을 때 전자적 속성이 완전히 바뀝니다. 예를 들어, 전자는 속도가 훨씬 느려지고 때로는 욕조 배수구에서 물이 빠져나갈 때 물 속의 소용돌이처럼 움직임에 꼬임이 생깁니다."

이 연구에서 보고된 획기적인 발견은 UBC의 학부생인 Ruiheng Su가 워싱턴 대학의 Matthew Yankowitz 교수 연구실에서 박사후 연구원인 Dacen Waters 박사가 준비한 뒤틀린 그래핀 샘플을 연구하면서 관찰했습니다. Folk 연구실에서 실험을 진행하는 동안 Ruiheng은 그래핀의 전자가 완벽하게 정렬된 배열로 얼어붙어 제자리에 고정되면서도 발레 무용수가 우아하게 정지 피루엣을 추는 것처럼 일제히 회전하는 독특한 구성을 발견했습니다. 이러한 동기화된 회전은 전류가 샘플의 가장자리를 따라 손쉽게 흐르고 전자가 고정되어 내부는 절연 상태를 유지하는 놀라운 현상을 일으킵니다.

놀랍게도, 가장자리를 따라 흐르는 전류량은 자연의 두 가지 기본 상수, 즉 플랑크 상수와 전자의 전하의 비율에 의해 정확하게 결정됩니다. 이 값의 정밀도는 토폴로지라고 알려진 전자 결정의 속성에 의해 보장되는데, 이는 적당한 변형으로 인해 변하지 않는 물체의 속성을 설명합니다.

"도넛을 먼저 자르지 않고는 프레즐처럼 매끈하게 변형할 수 없는 것처럼, 경계 2D 전자 결정 주위의 전자 순환 채널은 주변 환경의 무질서에 의해 방해받지 않습니다."라고 Yankowitz는 말했습니다.

"이것은 과거의 전통적인 위그너 결정에서는 볼 수 없었던 위상 전자 결정의 역설적인 행동을 초래합니다. 즉, 결정이 전자를 동결시켜 규칙적인 배열을 형성하더라도 경계를 따라 전기를 전도할 수 있다는 것입니다."

위상수학의 일상적인 예로는 뫼비우스의 띠가 있습니다. 간단하지만 정신을 휘젓는 물체입니다. 종이 조각을 가져다가 고리 모양으로 만들고 양쪽 끝을 테이프로 붙인다고 상상해 보세요. 이제 다른 종이 조각을 하나 더 가져다가 양쪽 끝을 붙이기 전에 한 번 꼬아 보세요. 그 결과 뫼비우스의 띠가 나오는데, 이는 한 면과 한 모서리만 있는 표면입니다. 놀랍게도, 종이 조각을 어떻게 조작하든 찢어버리지 않고는 정상적인 고리 모양으로 꼬아 펼 수 없습니다.

결정 내에서 전자의 회전은 뫼비우스의 띠의 꼬임과 유사하며, 과거에 전자 결정이 관찰된 드문 사례에서는 전혀 볼 수 없었던 위상 전자 결정의 놀라운 특성으로 이어집니다. 즉, 전자가 저항 없이 흐르는 가장자리는 결정 자체 내에서 제자리에 고정되어 있음을 나타냅니다.

위상 전자 결정은 개념적 관점에서만 매혹적인 것이 아니라 양자 정보의 발전을 위한 새로운 기회를 열어줍니다. 여기에는 위상 전자 결정을 초전도성과 결합하려는 미래의 시도가 포함되어 위상 양자 컴퓨터의 큐비트 기반을 형성합니다.


출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/01/250122145812.htm

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