그래핀은 3D 흑연에 뒤틀린 힘을 제공합니다

약간 비스듬한 두 개의 그래핀 시트를 서로 쌓으면 최근 몇 년 동안 조정 가능한 초전도성, 양자 메모리 및 "웅덩이" 전자 덩어리와 관련된 이상한 새로운 물질 상태를 포함하는 경이적인 물리학이 탄생했습니다. 이러한 시스템의 이상한 동작은 두 시트의 육각형 패턴 사이의 1.1도 작은 "비틀림" 각도로 나타납니다. 그리고 수많은 새로운 물리학이 등장하면서 소위 꼬인 이중층 그래핀의 기술적 응용이 이제 막 상상되기 시작했으며 신비한 열적, 광학적, 전자적, 재료 및 기타 특성이 개발되기를 기다리고 있습니다.

이제 미국과 영국의 과학자들은 이러한 적층형 2D 시스템의 외부 한계를 탐구하기 시작했습니다. 이중층의 두 층 중 하나만 두께가 원자 1개라면 어떻게 될까요? 이중층 마법이 사라질 때까지 벌크에 몇 개의 층을 추가할 수 있습니까? 놀랍게도 이중층 특성 중 일부는 두꺼운 3차원 흑연 스택 내부에서도 유지되었습니다.

현재 흑연과 그래핀에서 볼 수 있는 이상한 행동으로 인해 연구자들은 1970년대 이후 관찰된 것처럼 오래된 흑연의 이상한 특성을 재검토하게 되었습니다.

영국 맨체스터 대학의 이론물리학 교수인 블라디미르 팔코(Vladimir Falko)는 “한동안 상식은…많은 층을 가진 금속이라면 3차원처럼 행동한다는 것이었습니다.”라고 말했습니다. "이렇게 두꺼운 흑연 필름에서 2차원 거동을 볼 수 있다는 것은 매우 이례적이었습니다."

얇은 층 양자 행동의 한계를 이해하기 위해 워싱턴 대학과 맨체스터 대학의 연구팀은 각각 약간 다른 두 가지 설정을 만들었습니다. 워싱턴 대학 그룹은 약간의 각도로 비틀린 단일 그래핀 층이 있는 두꺼운 흑연 스택을 덮었습니다. 맨체스터 대학 팀은 유사한 흑연 스택을 사용했지만 그 위에 질화붕소의 2차원 시트 상태의 단일 층을 얹었습니다.

두 접근 방식 모두 스택의 상위 두 레이어 사이에 모아레 초격자라고 불리는 동일한 구조를 생성합니다. 두 층 사이의 불일치 각도가 시스템에 새로운 종류의 모아레 같은 패턴을 추가하기 때문에 이를 초격자라고 부릅니다. 뒤틀린 그래핀의 최상층에서 불일치는 각 시트의 육각형 셀 사이의 비틀림 각도에서 발생하는 반면, 질화붕소의 최상층에서 불일치는 질화붕소와 ​​그 아래 흑연의 격자 간격이 약간 다르기 때문에 발생합니다.

강한 자기장이 가해지면 모아레 초격자는 격자 간격이 크게 증가하여 놀라운 변형을 겪습니다. 이 시나리오에서는 훨씬 더 큰 자속이 이제 단일 격자판을 관통하여 재료의 이미 이상한 특성을 더욱 변형시킬 수 있습니다. 자기장이 조정됨에 따라 시트의 전도성이 주기적으로 진동하는데, 이 현상을 Brown-Zak 진동이라고 합니다.

연구진은 상단에 단일 모아레 초격자 층이 있는 두꺼운 그래핀 스택이 그러한 효과를 나타낼 것으로 기대하지 않았습니다. 위에서 설명한 현상은 결국 서로 위에 있는 한 쌍(또는 작은 배열)의 2D 시트에서만 관찰되었습니다. 3D 흑연 덩어리는 완전히 새로운 지형이었습니다. 그리고 팀은 이상한 양자 행동이 시스템에서 전혀 보이지 않을 것이라고 의심할 충분한 이유가 있었습니다. 그럼에도 불구하고, 연구진은 자기장을 조정하면서 전체 스택의 전도성 진동, 즉 2차원 모아레 물질의 특징적인 Brown-Zak 진동을 관찰했습니다.

"18개 층의 흑연이 있고 이 층 중 하나만 1도 비틀면 재료에 큰 구조적 변화가 생기지 않습니다."라고 워싱턴 대학의 연구를 이끈 Matthew Yankowitz는 말합니다. “그러나 전체 흑연 스택은 3차원 소재임에도 불구하고 기본적으로 모아레 소재처럼 거동합니다. 내 생각에 그것은 펑키하고 새로운 통찰력이다.”