목포대학교(총장 박민서)는 영국 맨체스터 대학교 물리학과 연구팀(A. K. Geim 교수, K. S. Novoselov 교수, A. Mishchenko 교수)이 주도하고 목포대학교 물리학과 손석균 교수가 참여한 rhombohedral graphite 초전도체 연구 결과가 물리 분야의 최고 권위 학술지 ‘Nature’ 본지에 지난 8월 12일에 게재되었다고 밝혔다. (article, vol:584, issue: 7820, page: 210-214, 2020년)

맨체스터 대학이 이끄는 이 국제 연구팀은 최근 몇 년간 물리학의 핵심 연구 분야인 뒤틀린 이중 층 그래핀(twisted bilayer graphene) 인공 구조물에서 발견된 ‘마법의 각도(magic angle)’ 효과와 유사한 새로운 형태의 rhombohedral graphite 위상 현상(topology of rhombohedral graphite)을 공개했다.

다층의 그래핀(multilayer graphene)으로 구성된 그래파이트(graphite)는 hexagonal graphite와 rhombohedral graphite의 두 가지 자연적 형태로 존재하는데 전자의 경우 적층 상태의 안정성으로 인해 많은 연구가 활발히 진행됐지만, 후자의 경우 소자 제작의 어려움 때문에 지난 수년간 이론적인 연구에만 국한되어 왔다.

적층 상태가 불안정한 rhombohedral graphite는 hexagonal graphite보다 약간 뒤틀린 적층 상태를 가지게 되는데 이 약간의 차이는 전자 스펙트럼의 급격한 변화로 이루어지게 된다. 이전의 이론적 연구들은 이러한 변화를 통해 재정립된 rhombohedral graphite 내의 띠 구조가 고온 자기 정렬 및 초전도를 포함한 다양한 다체계 물리(many-body physics) 현상의 구현 가능성을 언급해 왔지만, 실험적으로 규명된 적은 극히 드물었다.

본 연구팀은 수년 동안 다층의 그래핀 소재를 연구한 끝에 육각 질화붕소(hBN)로 불안정한 rhombohedral graphite를 캡슐화함으로써 높은 전자 이동도 상태를 유지함과 동시에 깨지기 쉬운 적층 순서를 보존하는 데 성공하였다. 라만 분광법을 사용, 적층 상태(최대 50층 그래핀)가 균일한 rhombohedral 영역을 선별하여 소자를 제작하였고 온도와 자기장 변화에 따른 기존의 Hall measurement 측정 방법을 통해 rhombohedral graphite 소자 내의 전자 수송 특성을 통해 새로운 초전도체의 가능성을 확인하였다.

기존의 뒤틀린 이중 층 그래핀(twisted bilayer graphene)의 상호 작용은 꼬인 각도에 매우 민감하여 필요한 정확도로 소자를 제작하는 데 많은 어려움이 있었지만 본 연구를 통해 고안된 육각 질화붕소(hBN) 캡슐화 rhombohedral graphite(hBN-encapsulated rhombohedral graphite) 소자를 통해 2차원 소재(2D materials)를 활용한 초전도체 소자를 더 정확하고 간단하게 만드는 방안을 마련했다는 평을 받고 있다.

본 연구에 참여한 손석균 교수는 “본 연구를 통해 뒤틀린 이중 층 그래핀(twisted bilayer graphene)에만 집중되었던 기존의 초전도체 연구 영역에 새로운 대안을 마련한 의미있는 연구 결과이다”고 말했다.

본 연구를 지도한 A. Mishchenko 교수는 “Rhombohedral graphite는 무거운 페르미온 화합물 및 고온 초전도체와 같이 강한 전자 상관관계가 중요한 물질을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있을 것이다”고 평했다. 아울러 “본 연구를 통해 4㎚보다 얇은 rhombohedral graphite의 경우 외부 전계를 적용하지 않아도 띠 간격이 존재하는 surface-state gap opening 현상이 관찰되었으나 이에 대한 정확한 원인은 아직 규명되지 않아 더 많은 연구와 관심이 필요할 것이다”고 전했다.

본 연구 결과는 Nature 본지(https://www.nature.com/articles/s41586-020-2568-2)를 통해 다시 확인할 수 있으며, 2차원 소재 연구의 새로운 대안으로 많은 관심을 가질 것으로 기대되어 국제 물리 과학 소식지 Physics Org를 비롯한 다양한 소식지에 “New advance in superconductors with ‘twist’ in rhombohedral graphite”라는 제목으로 메인페이지(https://phys.org/news/2020-08-advance-superconductors-rhombohedral-graphite.html)에 소개되고 있다.

/고영기자

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