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물질의 전자는 ‘스핀’이라는 속성을 가지고 있으며, 다양한 속성 중 가장 잘 알려진 것은 ‘자기’임. 냉장고 문에 사용되는 것과 같은 영구 자석은 전자의 모든 스핀이 같은 방향으로 정렬되어 있음. 과학자들은 이 행동을 강자성이라고 하며, 스핀을 조작하려는 연구 분야를 스핀 트로닉스라고 부름.

흥미롭게도 ‘밸리’라고 알려진 스핀과 유사한 속성이 그래핀 재료에 나타나며, 이 독특한 기능은 스핀 트로닉스가 순수 스핀 물리학에 의존하는 것과 매우 유사하게 창발 물리학 및 정보 처리를 위해 밸리 속성을 활용하는 것을 목표로 하는 밸리 트로닉스 분야를 탄생시킴.

밸리 트로닉스(Valleytronics)는 전자 공학이 전하를 사용하고 스핀을 사용하는 방법과 유사하게 양자 밸리 자유도에서 정보를 인코딩 할 수 있음. 또한 밸리 트로닉 장치는 전자 장치에 비해 처리 속도가 크게 증가하고 스핀 트로닉 장치에 비해 자기장 노이즈에 대한 안정성이 훨씬 더 높음.

회전된 구조의 초박형 재료는 새로운 장치를 설계하기 위한 풍부한 솔리드 스테이트 플랫폼을 제공함. 특히, 약간 꼬인 그래핀 층은 최근에 흥미로운 비 전통적인 특성을 갖는 것으로 나타났으며 궁극적으로 양자 기술을 위한 새로운 물질 군으로 이어질 수 있음. 이미 연구 중인 이러한 비 전통적인 상태는 전하나 스핀에 의존하며, 한가지 궁금증은 밸리가 이러한 상태의 물질 군으로 이어질 수 있는지 여부임.

기존의 강자성이 그래핀을 밸리 물리학의 영역으로 밀어 붙이는 중요한 역할을 한다는 것이 밝혀짐. 최근 핀란드의 알토 대학교 연구진은 자기 반데르발스 재료의 상관 물리학에 대한 새로운 방향을 보여줌.

연구팀은 강자성 절연체 사이에 약간 회전된 두 개의 그래핀 층을 끼우는 것이 새로운 전자 상태를 위한 고유한 설정을 제공한다는 것을 보여줌. 강자성체, 그래핀의 트위스트 공학 및 상대론적 효과의 조합은 밸리 속성이 물질의 전자 거동을 지배하게 함.

특히 연구진은 이러한 밸리만 있는 상태를 전기적으로 조정하여 이 상태를 생성할 수 있는 재료 플랫폼 제공법을 보여줌. 최근의 스핀 트로닉스 및 반데르발스 재료의 돌파구 위에 구축된 자기 트위스트 반데르발스 다층의 밸리 물리학은 상관된 트위스트 밸리 트로닉스의 새로운 영역에 대한 문을 열어줌.

본 연구 성과는 Physical Review Letters ("Spontaneous valley spirals in magnetically encapsulated twisted bilayer graphene")에 게재됨.