간단한 변형으로 전에 없던 양자 동작이 가능해졌다.

일부 M-포인트 모아레 물질에서는 전자가 교차하는 패턴으로 고정되는데, 이는 일차원적 거동의 징후입니다. 어떤 경우에는 전자가 직교 원자가 결합 이합체로 고정되어 더 깊은 양자 질서를 드러낼 수도 있습니다. 출처: Dumitru Calugaru

꼬인 물질, 즉 모아레 구조는 간단한 기하학적 조작을 통해 완전히 새로운 물질의 상을 만들어냄으로써 현대 물리학에 혁명을 일으켰고, 오늘날의 "연금술"로 부상했습니다. "모아레"라는 용어는 익숙하게 들릴지도 모릅니다. 줄무늬 셔츠나 스크린을 촬영할 때 가끔 볼 수 있는 기묘한 물결 무늬를 묘사하는 용어입니다. 물리학에서도 동일한 원리가 원자 수준에서 적용됩니다. 같거나 다른 물질로 이루어진 원자 두께의 두 장을 겹쳐 놓고 한 층을 다른 층에 대해 약간씩 회전시킨다고 상상해 보세요. 놀랍게도, 이 간단한 회전은 최종 물질을 근본적으로 변형시켜 개별 층과는 매우 다른 독특한 특성을 나타낼 수 있습니다. 회전 각도를 정밀하게 제어함으로써 물리학자들은 완전히 새로운 양자 상태를 만들어내고, 이전에는 실험 과학에 닫혀 있던 문을 열 수 있습니다. 이러한 모아레 구조는 과학자들이 복잡한 양자 현상을 연구하는 데 도움이 되는 특수 시스템인 양자 시뮬레이터부터 초고감도 테라헤르츠 센서와 단일 광자 검출기에 이르기까지, 기초 과학과 기술 응용 분야가 풍부한 미래를 약속합니다.

두 층이 꼬이면 각 층의 전자들이 강하게 간섭하여 결합된 양자 지형을 변형합니다. 이러한 효과의 두드러진 예가 꼬인 이중층 그래핀입니다. 그래핀 층 하나하나가 초전도체가 될 수는 없지만, 초전도성(전자가 저항 없이 흐르는 상태)이 예상치 못하게 나타납니다.

물질 내 전자는 운동량이라는 양자수를 가지며, 이는 본질적으로 양자역학적 운동 상태를 나타냅니다. 지금까지는 주로 K-포인트(120도 회전 시 대칭성을 갖는 전자 운동량의 특수 지점)로 알려진 지점을 중심으로 꼬인 육각형 격자에 초점이 맞춰져 왔습니다. 그래핀, MoTe2, MoSe2, WSe2와 같은 소수의 물질만이 실험적으로 연구되었습니다. 그러나 Nature 에 발표된 새로운 연구에서 국제 연구팀은 전자 운동량의 M-포인트를 기반으로 완전히 새로운 꼬임 패러다임을 도입하여 모아레 현상을 크게 확장했습니다.

옥스퍼드 대학교 레버흄-파이얼스 펠로우인 두미트루 칼루거루(2024년 프린스턴 대학교 박사)는 "지금까지 모든 꼬임은 K 지점을 중심으로 이루어져 물질 우주의 작은 구석에 국한되어 왔습니다."라고 설명합니다. "M 지점으로 초점을 이동시킴으로써 완전히 새로운 양자 거동을 가진 완전히 새로운 종류의 꼬인 양자 물질을 발견할 수 있습니다. 전자 대역 최소값의 위치가 핵심입니다."라고 칼루거루는 말합니다.

이 논문은 프린스턴 대학교(미국), 도노스티아 국제물리학센터(스페인), 옥스퍼드 대학교(영국), 막스 플랑크 협회(독일), 코넬 대학교(미국), 루트비히 막시밀리안 뮌헨 대학교(독일), 셔브룩 대학교(캐나다), 플로리다 대학교(미국) 등 여러 대륙과 기관에 걸친 중요한 국제 협업의 결과입니다.

이론 물리학자, 계산 물리학자, 그리고 제안된 소재의 합성 및 박리 작업에 착수한 국제적인 재료 과학자 및 화학자 그룹으로 구성된 연구팀은 이러한 새로운 유형의 꼬임에 적합한 수백 개의 후보 소재를 식별하는 것으로 연구를 시작했습니다. 이 소재들은 꼬인 층의 양자 특성을 제어하는 중요한 특징인 전자 밴드 최소값의 위치를 기반으로 체계적으로 분류되었습니다. 이 중 M 지점에서 밴드 최소값을 갖는 두 소재(SnSe2 와 ZrS2 ) 를 심층적인 전류 연구를 위해 선택했습니다.

프린스턴 대학 박사후연구원인 하오위 후(Haoyu Hu)는 "무아레 띠가 일반적으로 위상적 특성을 나타내는 K-포인트 꼬임과 달리, M-포인트 꼬임 띠는 위상적으로 사소하지만 놀라울 정도로 평탄하다는 것을 발견했습니다."라고 설명했습니다. "그러나 M-포인트의 띠는 이전에는 발견되지 않았던 유형의 대칭성을 가지고 있어 매우 특이하고 때로는 일차원적이기까지 합니다. 이는 양자적 행동을 근본적으로 변화시킵니다."라고 후는 덧붙였습니다.

Yi Jiang과 Hanqi Pi(Donostia 국제물리센터)는 6개월 이상의 계산 노력을 필요로 하는 광범위한 미시적 원리 계산을 통해 전자 띠가 약 3도의 낮은 비틀림 각도에서 상당히 평탄화됨을 입증했습니다. 전자 띠를 평탄화하면 전자의 속도가 효과적으로 느려지고 상호 작용이 향상되어 새로운 양자 현상이 발생합니다.

"이러한 평탄화는 전자를 육각형 격자 또는 카고메 격자 배열로 국한시킬 수 있습니다."라고 장은 지적했습니다. 파이는 "이러한 국한화는 이제 양자 스핀 액체를 포함한 다양한 양자 상태를 실험적으로 구현할 수 있음을 의미합니다."라고 덧붙였습니다.

물리학자들을 매료시켜 온, 양자 스핀 액체는 고온 초전도성으로 가는 길을 포함하여 흥미로운 응용 분야를 약속합니다. 그러나 도핑(전자 추가 또는 제거) 및 기타 필수적인 재료 특성을 정밀하게 제어하는 데 극도의 어려움이 있기 때문에 벌크 재료에서 실험적으로 결정적으로 관찰된 적은 없습니다. 그러나 꼬인 재료는 조정 가능한 구조와 정전기 게이팅(재료의 열화 없이 전자를 도핑할 수 있는 기술)의 가능성으로 인해 더 큰 실험적 제어 가능성을 제공하며, 이러한 많은 역사적 장애물을 극복합니다.

연구팀의 이론적 예측과 상세한 전자 모델은 실제 물질에서 이러한 상태를 관찰하는 데 있어 중요한 진전을 보여줍니다. 단방향 스핀 액체와 직교 이합체 원자가 결합 상과 같은 물질의 다른 상들은 M-점 시스템에서 완전히 새롭고 고유한 것입니다.

그러나 이 연구는 이론을 초월합니다. 양자 재료 화학 분야의 공동 연구자인 레슬리 스쿱(프린스턴 대학교)과 클라우디아 펠서(드레스덴 막스 플랑크 연구소)는 이미 여러 예측 후보 물질의 벌크 결정을 성공적으로 합성하여 실용화를 향한 중요한 첫걸음을 내디뎠습니다. 이어서 드미트리 에페토프(뮌헨 루트비히 막시밀리안 대학교), 지에 샨, 킨 파이 막(코넬 대학교)을 포함한 2D 재료 분야의 세계적인 전문가들이 이 벌크 결정을 단층 시트로 박리하여 제안된 플랫폼의 실험적 타당성을 명확히 입증하고 있습니다.

"이러한 물질의 실험적 구현은 매우 중요합니다. 일단 꼬이고, 게이트를 통과하고, 측정되면 이러한 새로운 양자 상태는 실체화될 수 있습니다."라고 프린스턴 대학교 물리학과 B. 안드레이 베르네빅 교수는 말했습니다. "우리가 하는 모든 새로운 꼬임은 놀라움을 안겨주는 것 같습니다. 근본적으로, 이 물질은 아무도 상상하지 못했던 물질의 양자 상태로 가는 관문을 제공합니다. 실험적으로 제어가 가능하기 때문에 그 가능성은 실로 무한합니다."라고 그는 강조했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/07/250710113201.htm