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서울시립대 정재일 교수 공동연구팀,마름모계 4층 그래핀 강상관계 절연체와 분수금속 발견

중앙일보

입력

Liu Kai 학생 (왼쪽 상단, 제1저자), Jian Zheng 학생 (중앙 상단, 공동저자), Guorui Chen 교수 (우측 상단, 공동 교신저자), Fengping Li 박사 (좌측 하단, 공동저자), 박영주 학생 (중앙 하단, 공동저자), 정재일 교수 (우측 하단, 공동 교신저자)

Liu Kai 학생 (왼쪽 상단, 제1저자), Jian Zheng 학생 (중앙 상단, 공동저자), Guorui Chen 교수 (우측 상단, 공동 교신저자), Fengping Li 박사 (좌측 하단, 공동저자), 박영주 학생 (중앙 하단, 공동저자), 정재일 교수 (우측 하단, 공동 교신저자)

서울시립대학교(총장 원용걸) 물리학과(스마트시티학과 겸임) 정재일 교수 연구팀은 중국 상해 교통대학교의 Guorui Chen 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 4층 그래핀에서 전자간의 강상관계에서 비롯되는 절연체와 분수금속 상태를 발견하였다.

마름모계 다층그래핀의 상태밀도와 저항

마름모계 다층그래핀의 상태밀도와 저항

연구팀은 기계적 박리법과 근거리 주사광학 현미경을 사용하여 마름모계 4층 그래핀이 육각질화붕소로 감싸진 형태의 소자를 구현하는데에 성공하였고, 전기전도도와 홀전도도 측정을 통해 전하 도핑이 0일 때 전자간의 상호작용에 의해 유도되는 강상절연 상태를 구현하였다. 또한 충분히 강한 전기장과 전하 도핑이 추가되었을 때 스핀/밸리 자유도가 분극된 분수금속 상태를 유도하였다. 평균장 이론 계산을 통해 강상관계 절연체의 바닥상태가 층간 반강자성인 것을 확인하였으며 외부 전기장이 가미되었을 때 홀전도도가 바뀌는 양자상전이 유도가 가능함을 보였다. 이 결과들은 무아레 구조가 아닌 마름모계 다층그래핀에서 전자간의 상호작용력이 강하게 나타나는 상태를 전류측정이 가능한 소자에서 구현한 획기적인 사례이며 전류의 스핀특성과 밸리특성의 선택적 제어가 가능함으로 차세대 스핀/밸리트로닉스 발전에 새로운 가능성을 제시한다.

서울시립대 정재일 교수는 “본 연구를 통해 밝혀낸 4층 그래핀의 강상절연 상태는 다층그래핀의 독특한 전자구조로 인해 무아레 패턴이 없는 이차원 물질에서도 스핀/밸리 정보가 구분이 된 전류를 흘려보낼 수 있을 것”이라며 “앞으로 스핀/밸리에 기반하는 전자소자의 물리적 연구와 더불어 스핀자성체와는 다른 패러다임인 궤도자성체 구현과 양자컴퓨터분야와 접목가능한 위상학적으로 보호된 큐비트 구현에도 응용할 수 있다.”라고 설명했다.

본 연구 성과는 삼성미래기술육성사업, 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자 자원사업, 그리고 국토교통부의 스마트시티 혁신인재육성사업과 교육부의 4단계 BK21 사업의 지원으로 수행되었으며, 국제학술지 Nature Nanotechnolgy (Impact factor: 40.523)에 ‘Spontaneous broken-symmetry insulator and metals in tetralayer rhombohedral graphene’이라는 제목으로 2023년 11월 23일 온라인판에 게재되었다.

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