나노기술 및 정책 정보

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이중층 그래핀이라고 불리는 두 개의 원자적으로 얇은 탄소 시트는 층중 하나가 특정 각도("마법적인"각도)로 꼬일 때 고유한 특성을 나타냄. 두 재료 층 사이의 마법 및 기타 각도 불일치와 재료 속성에 미치는 영향에 대한 연구는 응축 물질 물리학의 급속히 확장되는 분야인 트위스트로닉(twistronics)이라고 불림.

펜실베이니아 주립 대학교(Pennsylvania State University) 연구팀은 트위스트로닉을 거시적으로 도입하기 위해 매직 앵글 이중층 그래핀과 음향 등가물을 설계했음. 응축 물질 물리학 개념의 아날로그를 조사하는 것은 음향학에서 새로운 아이디어와 응용을 제공할 수 있음. 시뮬레이션에서 연구팀은 나노 스케일로 그래핀의 원자 배열과 유사한 육각형 구멍 패턴을 포함하는 평판에서 음향 설계를 구축했음. 그들은 또 다른 그래핀과 같은 플레이트 층을 추가하여 플레이트를 정렬하지만 둘 사이에 수직 에어 갭을 남기고 상단 플레이트를 비틀었음. 이 트위스트는 전형적인 매직 앵글 그래핀에서도 볼 수 있는 특징적인 모아레 패턴을 만들어 냈음. 이는 하나가 약간 회전하거나 오프셋되는 두 개의 중첩된 유사한 패턴에서 발생함. 그런 다음 연구원들은 어레이 내에서 음파의 움직임을 시뮬레이션했음. 그들은 파동이 특정 비틀림 각도로 플레이트 사이를 전파함에 따라 음향 에너지가 상단 및 하단 레이어의 구멍이 정렬된 모아레 패턴의 특정 영역 주위에 집중된다는 것을 발견했음. 연구진은 이 행동이 원자 규모에서 매직 앵글 그래핀의 전자 행동을 반영한다고 말함. 그래핀과 같은 물질을 통해 이동하는 전자는 반복적인 구조 사이에서 공기를 통해 이동하는 음파와 수학적으로 유사함. 이러한 유사성은 연구자들이 실험에 따르는 제한없이 기존의 매직 앵글 그래핀의 추가 적용을 이론적으로 탐구하는 데 도움이 될 수 있음. 그들의 음향 시스템은 나노 스케일로 설계되지 않았기 때문에 실험실에서 제작하기가 용이함. 그리고 샘플의 더 큰 크기를 감안할 때 트위스트는 제어하기 더 쉬울 것임. 연구원들은 또한 그들의 설정이 매직 앵글을 탐구할 수 있는 새로운 가능성을 창출했다는 것을 발견했으며, 기존 연구는 3도 미만의 작은 각도에 초점을 맞추어 왔음. 연구원들은 마법 각도를 제어하기 위해 그래핀 판 사이의 거리를 조작할 수 있었음. 이는 나노 스케일의 마법 각도 그래핀에게는 극히 어려운 일임. 연구원들은 그들의 개발이 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 많은 수의 마법 각도를 산출한다는 것을 발견했음.

본 연구 성과는 ‘Physical Review B’ (“Magic-angle Bilayer Phononic Graphene”) 지에 게재됨