뒤틀어진 그래핀 이중층의 모서리에서 나타나는 고차 위상학적 양자상.(KAIST 제공)© 뉴스1

(대전=뉴스1) 김태진 기자 = 국내 연구진이 나노 물결 무늬에서 고차-위상학적 양자 상태를 발견했다.

KAIST(총장 신성철)는 물리학과 이성빈 교수 연구팀이 두 겹으로 비스듬하게 겹쳐 있는 뒤틀린 이중 층 그래핀의 무아레 무늬(나노 물결 무늬)에서 새로운 고차-위상학적 양자 상태가 발생한다는 사실을 이론적으로 규명했다고 4일 밝혔다.

프랑스어로 물결이라는 뜻의 무아레(moiré)는 두 격자 구조를 비스듬히 겹쳐 놓았을 때 물결이 일렁이듯이 나타나는 간섭 무늬를 의미한다.

무아레 무늬는 일상생활뿐만 아니라 그래핀과 같은 이차원 나노 물질 두 겹을 비스듬하게 올려놓았을 때도 나타난다. 이때 뒤틀린 그래핀 이중 층에서 나타나는 무아레 무늬는 그래핀 격자의 주기를 수십에서 수만 배까지 증폭시킬 수 있다.

이러한 원리로 뒤틀림 각도에 따라 전기가 흐르지 않는 절연체가 되기도 하고 전기 저항이 아예 없는 초전도체가 되기도 하는 등 물성이 크게 변화할 수 있다.

특히 마법의 각도(magic angle)라고 불리는 1.1도 부근에서 전기 저항이 0이 되는 초전도 현상이 발견돼 이를 설명하기 위한 많은 연구가 진행 중이다.

연구팀은 근사 방법이 아닌 그래핀 이중 층의 무아레 무늬에서 나타나는 탄소 구조가 뒤틀림 각도에 상관없이 항상 일정한 몇 가지 정확한 공간 대칭성을 가진다는 점을 이용했다.

이를 통해 뒤틀림 각도에 상관없이 이중 층 그래핀이 절연체라면 이 이중 층 그래핀은 반드시 고차-위상학적 절연체 상태여야 한다는 사실을 이론적으로 규명했다.

이는 그래핀 이중 층이 가지는 회전 대칭성과 무아레 대칭 이동성이 뒤틀림 각도에 상관없이 항상 성립하는 것을 활용하는 원리이다.

이성빈 교수(오른쪽)와 박문집 연구원 (KAIST 제공)© 뉴스1

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박문집 연구원은 “격자 구조의 대칭성만을 이용해 이중 층 그래핀의 위상학적 특성을 정확하게 이론적으로 기술했다는 의의가 있다”며 “뒤틀린 그래핀 이중 층이 이차원 고차-위상학적 절연체의 새로운 후보가 될 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구는 KAIST 스타트업 펀딩, BK21, 한국연구재단의 지원으로 수행됐다.

박문집 연구원이 1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스’(Physical Review Letters) 온라인판에 지난 11월 22일 편집자 추천 논문으로 게재됐다.
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