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그래핀 두 장을 직각으로 겹쳐 쌓으면 층상 구조가 비전통적인 초전도체로 변해 저항이나 에너지 낭비 없이 전류가 통과할 수 있음. 이중층 그래핀의 이 ‘마법 각도’ 변환은 2018년 MIT 물리학과 연구진에 의해 처음으로 관찰되었으며, 그 이후로 ‘트위스트로닉스’라는 새로운 분야에서 유사하게 초전도로 변형될 수 있는 다른 물질을 탐색해옴. 대부분의 경우 이 이중층 그래핀 이외에 다른 꼬인 물질은 초전도성을 나타내지 않았음.

이번에 연구진은 중간층이 새로운 각도로 꼬인 세 개의 그래핀 시트 샌드위치에서 초전도성을 관찰했다고 밝힘. 이 새로운 삼중층 구성은 이중층 구성보다 더 강력한 초전도성을 나타냄.

또한, 외부 전기장의 강도를 적용 및 변경하여 구조의 초전도성을 조정할 수 있음. 삼중층 구조를 조정함으로써 연구자들은 다른 물질에서는 거의 볼 수 없는 유형의 전기적 성질의 초전도성을 생성할 수 있음.

연구진은 새로운 삼중층 구조를 연구하면서 두 가지 방법으로 초전도성을 제어할 수 있는 방법을 발견함. 이전의 이중층 구조 설계를 통해 외부 게이트 전압을 적용하고 재료를 통과하는 전자 수를 변경함으로써 초전도성을 조정할 수 있음. 동일한 방법으로 삼중층 그래핀도 조정할 수 있음.

또한, 이중층 그래핀 및 기타 꼬인 구조에서 불가능했던 재료의 초전도성을 제어하는 두 번째 방법을 발견함. 추가 전극을 사용함으로써 연구원들은 구조의 전체 전자 밀도를 변경하지 않고 구조의 세 개 층 사이의 전자 분포를 변경하기 위해 전기장을 적용할 수 있음.

두 가지 방법을 모두 사용하여 삼중층 구조를 조정한 결과, 재료의 전자 밀도가 낮은 경우에도 상대적으로 높은 임계 온도를 포함한 다양한 조건에서 초전도성을 관찰할 수 있었음.

연구진은 전자 밀도가 높은 이러한 구성이 더 높은 온도에서 심지어 실온에 근접할 때에도 초전도성을 나타낼 수 있는지 확인하기 위해 3개 이상의 층으로 꼬인 그래핀 구조를 제작할 계획임.

본 연구 성과는 Nature ("Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices")에 게재됨.