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그래핀은 단원자 두께의 2차원 물질로, 연필심에서 발견되는 것과 동일한 흑연에서 박리하여 생산할 수 있다. 초박형 물질은 전체적으로 닭의 벼슬과 유사한 단순한 육각형 패턴으로 배열된 탄소 원자로 구성되어 있다. 2004년 첫 번째 분리 이후, 과학자들은 그래핀이 단층 형태로 수많은 주목할 만한 성질을 가지고 있다는 것을 발견했다고 14일(현지시간) 외신이 보도했다.
2차원 벌집 격자 나노구조로 배열된 탄소 원자의 단일층인 그래핀은 가장 잘 알려진 2차원 물질 중 하나이다. 그래핀을 두 겹 쌓아올린 뒤 마법 각도로 비틀면 초전도, 강자성 등 온갖 강력한 성질이 나타날 수 있다.
2018년, MIT 과학자들은 두 개의 그래핀 층이 매우 특정한 '마법' 각도로 쌓이면, 뒤틀린 이중층 구조가 강력한 초전도성을 보일 수 있다는 것을 발견했다. 널리 사용되는 물질 상태에서는 전류가 에너지 손실 없이 흐를 수 있다.
최근, 같은 연구진은 3개의 그래핀 층이 정확하고 새로운 마법의 각도로 쌓여서 만들어진 구조인 트위스트 삼층 그래핀에 유사한 초전도 상태가 존재한다는 것을 발견했다.
연구팀은 4~5개의 그래핀 층을 새로운 마법의 각도로 꼬아 쌓아서 저온에서 강력한 초전도성을 끌어낼 수 있다고 보고했다.
지난 7일 학술지 네이처 머티리얼스에 발표된 이 최신 발견은 그래핀의 다양한 뒤틀리고 쌓인 구성을 다층 마법각 초전도체로 알려졌다. 이 팀은 그래핀 물질들 사이의 유사점과 차이점도 확인했다.
이 새로운 발견은 실용적인 실온 초전도체를 설계하기 위한 청사진으로 작용할 수 있다. 그래핀 물질들 간의 특성을 다른 자연 전도성 물질로 복제할 수 있다면, 예를 들어 방산 손실 없이 전기를 공급하거나 마찰 없이 운행하는 자기 부상 열차를 만들 수도 있다.
MIT 물리학과의 박정민 교수는 "매직 앵글 그래핀 시스템은 이제 두 개의 시스템을 넘어 '가족'이 되었다. 이 제품군을 갖는 것은 강력한 초전도체를 설계할 수 있는 방법을 제공하기 때문에 특히 의미가 있다"고 말했다.
박정민 교수의 MIT 공동저자로는 일본 쓰쿠바 소재 국립소재과학연구소의 와타나베 겐지, 다니구치 다카시 교수와 함께 리차오 시아오 슈웬 쑨 물리학 교수가 있다.
자릴로-헤레로의 그룹은 매직 앵글 그래핀을 최초로 발견했다. 이는 두 장의 그래핀 시트가 서로 겹쳐져 있고 1.1도의 정확한 각도로 약간 상쇄되어 있는 이중층 구조이다. 모아레 초격자로 알려진 이 비틀린 구조는 초저온에서 물질을 강하고 지속적인 초전도체로 변화시켰다.
연구원들은 이 물질이 '평탄한 띠'로 알려진 전자 구조의 한 종류를 보여주었다는 것을 발견했다. 이 띠는 그 물질의 전자가 운동량에 관계 없이 동일한 에너지를 가지고 있다. 이 평탄한 밴드 상태와 초저온에서, 보통 광란의 전자들은 쿠퍼 쌍으로 알려진 것, 즉 저항 없이 물질을 통과할 수 있는 초전도성의 필수적인 요소에서 짝을 이룰 수 있을 정도로 충분히 속도를 줄인다.
연구원들은 비틀린 이중층 그래핀이 초전도성과 평탄한 밴드 구조를 모두 보이는 것을 관찰했지만, 전자가 후자에서 발생했는지는 확실하지 않았다.
박 교수는 "평판 밴드 구조가 초전도성을 유발한다는 증거는 없었다. 그 이후로 다른 그룹들은 평평한 띠를 가진 다른 물질들로부터 다른 뒤틀린 구조들을 만들어 냈지만, 실제로 강력한 초전도성을 가지고 있지는 않았다. 그래서 우리는 다른 평면 밴드 초전도 장치를 만들 수 있을까라는 생각을 하게 되었다"고 밝혔다.
연구진이 이 질문을 고려했을 때, 하버드 대학교의 한 그룹은 수학적으로 1.6도에서 꼬인 세 개의 그래핀 층이 평평한 띠를 보일 것이라는 계산을 도출하고 그것들이 초전도할 수 있다고 제안했다. 연구진은 자신들이 예측한 각도에서, 적절한 방식으로 쌓고 꼬인다면, 초전도성을 보이는 그래핀 층의 수에 제한이 없어야 한다는 것을 보여주었다. 마지막으로, 연구진은 모든 다층 구조를 공통의 플랫 밴드 구조와 수학적으로 연관시킬 수 있다는 것을 증명했다.
박 교수는 "연구진은 무궁무진한 층까지 그래핀 구조의 전체 계층이 있을 수 있다는 것을 알아냈으며, 이는 플랫 밴드 구조에 대한 유사한 수학적 표현에 해당할 수 있다"고 말했다.
이 연구가 끝난 직후, 자릴로-헤레로의 그룹은 실제로 초전도성과 평탄한 띠가 꼬인 삼층 그래핀에서 나타났다는 것을 발견했다. 세 장의 그래핀 시트는 치즈 샌드위치처럼 쌓여있었고, 중간 치즈 층은 샌드위치 바깥 층에 대해 1.6도만큼 이동했다. 그러나 삼층구조는 이중층구조와 비교했을 때 미묘한 차이를 보였다.
김진영 글로벌이코노믹 기자
