나노기술 및 정책 정보

• 목록

영국의 맨체스터 대학교(University of Manchester) 연구팀이 그래핀 기반 초격자에서 'Brown-Zak fermions'라는 새로운 준입자 계열을 발견하고 특성화했음. 연구팀은 그래핀 층의 원자격자를 절연성 질화붕소 시트의 원자격자에 정렬하여 그래핀 시트의 특성을 극적으로 변화시킴으로써 이러한 돌파구를 달성했음. 이 연구는 Hofstadter 나비라고 알려진 프랙탈 패턴을 관찰할 수 있는 그래핀-질화붕소 초격자에서 수년간 이어가고 있음. 그리고 오늘(11 월 13 일 금요일) 연구팀은 적용된 자기 하에서 이러한 구조에서 입자의 또 다른 매우 놀라운 행동을 보고함. 자기장이 0 일 때 전자는 직선 궤도로 이동하고 자기장을 적용하면 전자가 구부러지고 원을 그리며 이동한다는 것은 잘 알려져 있음. 질화붕소와 정렬된 그래핀 층에서 전자도 구부러지기 시작함. 그러나 자기장을 특정 값으로 설정하면 전자는 더 이상 자기장이 없는 것처럼 직선 궤도로 다시 이동함. 이러한 거동은 교과서 물리학과 근본적으로 다른 것임. 이 연구는 Hofstadter 나비의 프랙탈 특징에 대한 수정된 프레임 워크를 사용하여 초고품질 그래핀 초격자에서 전자가 어떻게 행동하는지 설명함. 지난 10 년간 그래핀 소자 제조 및 측정 기술의 근본적인 개선으로 이 작업이 가능해졌음. 준입자의 개념은 응축 물질 물리학과 양자 다체 시스템에서 가장 중요한 개념 중 하나임. 이론 물리학자 Lev Landau가 1940 년대에 집단 효과를 '단일 입자 여기'로 묘사하기 위해 도입한 것임. 준입자의 개념은 다체 효과를 설명하기 위해 여러 복잡한 시스템에서 사용됨. 지금까지 그래핀 초격자에서 집합 전자의 거동은 높은 자기장에서 복제하는 광자(질량이없는 입자)와 유사한 고유한 특성을 갖는 준입자인 Dirac fermion의 관점에서 생각되었음. 그러나 이것은 상태의 추가 퇴화와 같은 일부 실험적 특징을 설명하지 않았으며 이 상태에서 준입자의 유한 질량과 일치하지도 않았음. 연구팀은 'Brown-Zak fermions'가 높은 자기장 아래에 있는 초격자에 존재하는 준입자 계열이라고 제안함. 이것은 직접 측정할 수 있는 새로운 양자 수를 특징으로 함. 흥미롭게도 더 낮은 온도에서 작업하면 초저온에서 교환 상호 작용으로 퇴화성을 높일 수 있었음. 자기장이 있는 상태에서 그래핀의 전자는 양자화 된 궤도로 회전하기 시작함. Brown-Zak 페르미온의 경우 최대 16T (지구 자기장의 500,000 배)에 달하는 높은 자기장 아래에서 수십 마이크로미터의 직선 궤도를 복원할 수 있었음. 이는 특정 조건에서 탄도 준입자는 자기장을 느끼지 못한다는 것을 의미함. 전자 시스템에서 이동성은 입자가 전류를 가할 때 이동할 수 있는 용량으로 정의됨. 그래핀과 같은 2-D 시스템을 제작할 때 높은 이동성은 오랫동안 최대의 장점이었음. 이러한 재료는 추가 속성 (정수 및 분수 홀 효과)을 제공하고 잠재적으로 컴퓨터 프로세서의 핵심 구성 요소인 초고주파 트랜지스터를 생성할 수 있기 때문임.

본 연구 성과는 ‘Nature Communications’ (“Long-range ballistic transport of Brown-Zak fermions in graphene superlattices”) 지에 게재됨