공동연구팀은 기계적 박리법을 사용해 마법각도 회전 이층 그래핀/WSe2구조가 육각질화붕소로 감싸진 형태의 소자를 구현하는 데 성공했고, 홀측정과 열전도도측정을 통해 기존의 회전 이층 그래핀 연구에서 관측되지 않았던 ν=1에서의 홀농도의 반전과 ν=0.5, 3.5의 반정수 상태를 관측했다. 또한 이 반정수 상태는 0에 가까운 자기장 하에서도 유지되어 강한 전자상호작용에 의한 전하밀도파 또는 스핀밀도파상태에서 기인함을 예측했으며 밀접결합근사모델 시뮬레이션을 통해 실제 전하밀도파가 있는 마법각도 회전그래핀/WSe2구조에서 WSe2가 부여하는 스핀궤도 상호작용효과로 인해 스핀과 밸리대칭이 붕괴된 반정수 상태들이 나타남을 밝혀냈다. 이렇게 안정적인 대칭붕괴상태에는 전류의 스핀특성과 밸리특성 선택이 가능함으로 마법각도 회전그래핀에서 나타나는 플랫한 밴드특성과 결합하여 차세대 스핀/밸리트로닉스 발전에 새로운 가능성을 제시한다.
정재일 교수는 “본 연구를 통해 밝혀낸 반정수 대칭붕괴상태는 회전이층그래핀의 독특한 전자구조로 인해 스핀/밸리 정보가 구분이 된 전류를 흘려보낼 수 있을 것”이라며 “앞으로 스핀/밸리에 기반한 전자소자의 물리적 연구와 더불어 양자컴퓨터분야 등 위상학적으로 보호된 큐비트 구현에도 응용할 수 있다.”라고 설명했다.
이번 연구 성과는 삼성미래기술육성사업, 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자 자원사업, 국토교통부의 스마트시티 혁신인재육성사업과 교육부의 4단계 BK21 사업의 지원으로 수행되었으며, 국제학술지 Nature Physics(Impact factor: 20.113)에 ‘Broken-symmetry states at half-integer band fillings in twisted bilayer graphene’이라는 제목으로 4월 4일 온라인 판에 게재되었다.