나노기술 및 정책 정보

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고체의 입방 센티미터에는 일반적으로 10^23개의 전자가 있으며, 이 거대한 다 물체 시스템에서 겉보기에 단순한 쌍 전자-전자 상호 작용은 매우 복잡한 상관관계와 초전도와 같은 이국적인 행동을 유발할 수 있음.

이 양자 현상은 고체를 완전한 전도체로 바꾸어 소실 없는 전류를 전달함. 일반적으로 이러한 행동은 고유의 특성이지만, 그래핀(흑연의 단층) 또는 전이 금속 디칼코게나이드(TMDC)와 같은 원자적으로 얇은 층이 있는 재료의 발견은 전자-전자 상호 작용을 조정하고 상전이를 형성할 수 있는 새로운 문을 열었음. 예를 들어, 특정 각도로 그래핀 층을 쌓아두면 초전도 거동을 만들 수 있음. 그러나 이론은 또한 전자와 결정격자의 양자화된 진동(포논)의 결합이 전자가 서로 상호작용하는 방식에 결정적인 영향을 미칠 수 있다고 예측함.

독일 레겐스부르크 대학교 연구진은 이웃 층의 극성 결정격자 진동에 결합하여 전자 간의 상호작용을 미세 조정하는 새로운 아이디어를 내놓음. 이 시나리오는 석고 캐스트에 일반적으로 사용되는 재료인 석고 캡핑 층으로 TMDC 단층을 덮는 것만으로 실현할 수 있음. 전자와 포논 사이의 결합 강도를 측정하기 위해 물리학자들은 먼저 반도체 TMDC 단층의 전자를 극초단 레이저 펄스로 여기하여 원래 위치에 해당 구멍을 남겨둠.

전자와 정공은 반대 전하를 전달하므로 전자가 수소 원자의 핵에 결합되어 소위 여기자를 형성하는 것과 같이 쿨롱 인력에 의해 서로 결합됨. 원자와 같은 에너지 구조를 적외선에서 초단파 광 펄스로 관찰함으로써 두 입자 사이의 상호작용을 보정할 수 있음. 놀라운 발견은 TMDC 층이 얇은 석고 캡으로 덮히면 엑시톤의 구조가 실질적으로 변경되었다는 것임.

이 결합 메커니즘은 서로 다른 원자적으로 얇은 층의 전자와 포논을 연결하지만, 그들은 매우 강하게 상호작용하여 본질적으로 새로운 혼합 입자로 병합됨. TMDC와 석고 사이의 스페이서로 본질적으로 불활성인 세 번째 원자적으로 얇은 층을 배치함으로써 연구진은 원자로 전자와 포논 사이의 공간 거리를 조정할 수 있었음.

이러한 발견은 2차원 재료에서 전자적 상관관계를 조정하는 새로운 경로를 열 수 있고, 미래에 인공적으로 쌓인 이종 구조와 새로운 물리적 양자 속성에서 인간이 만든 위상 전이를 가능하게 할 수 있으며, 미래의 무손실 전자 장치와 양자 정보 장치에서 응용 프로그램을 찾을 수 있을 것임.

본 연구 성과는 Nature Communications ("Proximity control of interlayer exciton-phonon hybridization in van der Waals heterostructures")에 게재됨.