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미국 컬럼비아 대학(Columbia University), 워싱턴 대학(University of Washington), 일본 NIMS( National Institute for Materials Science)의 연구진은 희귀한 형태의 자기 특성들이 3층 그래핀 구조에서 발견했다.그래핀이 발견된 지 15년이 넘었지만, 많은 과학자들은 아직까지 그래핀의 고유 특성을 밝히기 위한 연구를 진행하고 있다. 그래핀은 가장 강하고 얇은 물질일 뿐만 아니라 열과 전기를 전달하는 뛰어난 전도체이다.이번 연구는 뒤틀린 단일층 또는 뒤틀린 이중층 그래핀의 최근 연구에서 영감을 받았다. 이런 물질들은 전자들 간의 강한 상호 작용 때문에 일련의 특이한 전자 상태를 가지고 있는 것으로 밝혀졌다. 이번 연구진은 그래핀 단층과 이중층을 결합시켜 뒤틀린 3층 그래핀 시스템을 만들었다. 그래핀 층의 수가 커지면서 이전에는 볼 수 없었던 흥미로운 새로운 특성들이 발생했다.이번 연구진은 그래핀 이중층 시트 위에 단일층 시트를 적층하고 약 1도 정도 비틀림을 주었다. 그러자 전자 간의 강한 상호작용 때문에 절연체 상태가 되었다. 또한 전기장을 인가하면 그래핀 시트의 상태를 제어할 수 있다는 것을 발견했다.여기서 인가된 전기장의 방향이 중요하다는 것을 발견했다. 전기장이 단층 그래핀 시트를 향하게 했을 때 꼬인 이중층 그래핀과 유사한 특성을 가졌다. 그러나 전기장의 방향을 뒤집어 이중층 그래핀 시트를 향하게 했을 때, 2 개의 꼬인 이중층 그래핀(4층 구조)과 유사한 특성을 가졌다. 이 새로운 자기 상태는 “스핀(spin)" 이라고 불리는 전자의 양자 역학적 특성에 의존한다는 것이 발견되었다.이런 자기적 특성은 질화붕소 결정 위에 놓인 그래핀 구조에서도 발견되었다. 이번 연구에서는 그래핀만으로 구성된 더 단순한 시스템에서도 이런 특성이 관찰될 수 있다는 것을 입증했다. 순수한 탄소는 자성을 가지지 않다. 그러나 3 개의 그래핀 시트에 적절한 비틀림 각도를 배열함으로써 이런 특성을 조절할 수 있었다.이번 연구에서는 이런 구조가 자성 이외에도 토폴로지 특성을 가진다는 것을 발견했다. 재료의 토폴로지 특성은 새로운 형태의 정보 저장에 적용될 수 있기 때문에 향후에 양자 계산 또는 새로운 유형의 에너지 효율적인 데이터 저장 분야에 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다. |
