에 발표된 연구에서 자연존스홉킨스 대학의 과학자들, 브리티시컬럼비아대학교그리고 워싱턴 대학은 특별히 설계된 그래핀 구조에서 새로운 종류의 양자 상태를 발견했습니다. 즉, 서로 겹쳐진 2차원 물질을 정확하게 회전시켜 만든 시스템인 꼬인 이중층-삼중층 그래핀의 위상 전자 결정입니다.
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이 연구의 출발점은 벌집 구조로 배열된 탄소 원자로 구성된 두 개의 그래핀 조각입니다. 전자가 탄소 원자 사이를 이동하는 방식에 따라 그래핀의 전기적 특성이 결정되며, 이는 표면적으로 구리와 같은 보다 일반적인 전도체와 유사하게 됩니다..
조슈아 포크(Joshua Folk), 브리티시 컬럼비아 대학교 물리학 및 천문학과 교수
“다음 단계는 두 개의 플레이크를 그 사이에 약간 비틀어서 함께 쌓는 것입니다. 이는 모아레 패턴으로 알려진 기하학적 간섭 효과를 생성합니다. 스택의 일부 영역에는 두 플레이크의 탄소 원자가 서로 바로 위에 있는 반면 다른 영역에는 원자 오프셋이 있습니다.”라고 덧붙였습니다.
이어 그는 “전자가 꼬인 스택의 모아레 패턴을 통과하면 전자 특성이 완전히 변경됩니다. 예를 들어, 전자의 속도가 느려지고 때로는 욕조 배수구에서 물이 빠져 나갈 때 물 속의 소용돌이처럼 움직임이 비틀어집니다..”
이번 연구에서 밝혀진 획기적인 발견은 UBC 학부생 루이헝 수(Ruiheng Su)가 워싱턴 대학 매튜 얀코비츠 교수 그룹의 박사후 연구원인 데이센 워터스(Dacen Waters) 박사가 생성한 뒤틀린 그래핀 샘플을 조사하던 중 이뤄낸 것입니다.
Ruiheng은 Folk의 연구실에서 실험을 진행하는 동안 장치의 새로운 구성을 발견했습니다. 그래핀의 전자는 완벽하게 정렬된 배열로 얼어붙어 제자리에 고정되어 있지만 우아하게 고정된 피루엣을 수행하는 발레 댄서처럼 일제히 회전합니다. 이러한 동기 회전은 전자 고정으로 인해 내부가 절연 상태를 유지하면서 전류가 샘플의 경계를 따라 원활하게 흐르는 매혹적인 현상을 유발합니다.
가장자리를 따라 흐르는 전류의 양은 자연의 두 가지 기본 상수, 즉 플랑크 상수와 전자 전하의 비율로 정확하게 정의됩니다. 이 값의 정밀도는 약간의 변형 후에도 손상되지 않은 상태로 유지되는 물체의 품질을 지정하는 전자 결정의 특성인 토폴로지에 의해 보장됩니다.
도넛을 먼저 자르지 않고는 프레첼로 부드럽게 변형할 수 없는 것처럼 경계 2D 전자 결정 주위의 전자 순환 채널은 주변 환경의 무질서에 의해 방해받지 않은 상태로 유지됩니다.
Matthew Yankowitz, 워싱턴 대학교 물리학과 교수
“이로 인해 과거의 기존 위그너 결정에서는 볼 수 없었던 토폴로지 전자 결정의 역설적인 동작이 발생합니다. 결정이 전자를 얼려 정렬된 배열로 형성되었음에도 불구하고 경계를 따라 전기를 전도할 수 있습니다.“라고 Yankowitz는 말했습니다.
뫼비우스의 띠는 위상수학의 일반적인 예입니다. 단순하면서도 놀라운 물체입니다. 종이 조각을 가져다가 고리 모양으로 접어 끝부분을 테이프로 붙여보세요. 이제 끝 부분을 연결하기 전에 다른 스트립을 잡고 한 번 비틀어 보세요. 결과는 한쪽 면과 모서리만 있는 표면인 뫼비우스 띠입니다. 스트립을 아무리 조작하려고 해도 찢어지지 않고 다시 일반 루프로 풀 수 없습니다.
결정 내 전자의 회전은 뫼비우스 띠의 비틀림과 유사합니다. 이는 전자 결정이 관찰된 드문 경우에서 이전에 볼 수 없었던 토폴로지 전자 결정의 놀라운 특징을 가져옵니다. 전자가 저항 없이 흐르는 가장자리는 결정 내에 제자리에 고정되어 있음을 나타냅니다.
토폴로지 전자 결정은 개념적으로 매력적일 뿐만 아니라 양자 정보의 획기적인 발전을 위한 새로운 길을 열어줍니다. 위상 전자 결정과 초전도성을 결합하려는 향후 시도는 위상 양자 컴퓨터를 위한 큐비트의 기초를 제공할 것입니다.
저널 참고자료:
R.과 함께, 외. (2025) 꼬인 그래핀의 모아레 구동 토폴로지 전자 결정. 자연. doi.org/10.1038/s41586-024-08239-6
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