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과학자들은 질병 치료, 먼 세계 탐험, 청정 에너지 혁명. 물리학 및 재료 연구 분야 중에서 야심찬 목표 중 하나는 에너지 손실 없이 전력을 전달할 수 있는 와이어 또는 오늘날의 컴퓨터가 달성할 수 없는 복잡한 계산을 수행할 수 있는 양자 컴퓨터와 같은 특별한 특성을 가진 물체를 만드는 것임. 그리고 이러한 목표를 향해 점진적으로 우리를 이동시키는 실험을 위한 새로운 워크 벤치는 2D 재료, 즉 단일 원자층 두께의 재료 시트임.

워싱턴 대학교(University of Washington) 연구팀이 2D 형태의 탄소인 그래핀 스택이 고도로 상관 관계가 있는 전자 특성을 나타낼 수 있으며, 이러한 유형의 집단적 거동이 특이한 자기 상태(Magnetic States)의 출현과 관련이 있다는 증거를 발견했음. 연구팀은 그래핀 층의 전자를 여러 가지 흥미로운 새로운 방식으로 조작 할 수 있는 실험방법을 만들었음. 2D 물질은 원자의 한 층 두께이므로 원자 사이의 결합은 2 차원으로 만 형성되고 전자와 같은 입자는 보드 게임에서 조각처럼 움직일 수 있음. 좌우, 앞뒤 또는 대각선으로 만 움직일 수 있으며 층간의 위 또는 아래로는 움직일 수 없음. 이러한 제한은 3D 대응물에 부족한 특성을 2D 재료에 불어 넣을 수 있으며, 과학자들은 잠재적으로 유용한 특성을 특성화하고 이해하기 위해 서로 다른 재료의 2D 시트를 조사해 왔음. 그러나 지난 10 년 동안 과학자들은 팬케이크 더미와 같은 2D 재료를 레이어링하기 시작했으며 특정 구성으로 겹쳐서 회전하고 극도로 낮은 온도에 노출하면 이러한 레이어가 특이하고 예기치 않은 속성을 보이는 것을 발견해 왔음.

연구팀은 이중층 그래핀을 기본적인 빌딩블록으로 작업했음. 자연스럽게 겹쳐진 두 장의 그래핀임. 그들은 총 4 개의 그래핀 층을 만들기 위해 하나의 이중층을 다른 이중층 위에 쌓고 두 이중층 사이의 탄소원자 레이아웃이 약간 어긋나도록 회전하였음. 과거의 연구에 따르면 그래핀의 단일층 또는 이중층 사이에 이러한 작은 꼬임 각도를 도입하면 전자의 거동에 큰 영향을 미칠 수 있었음. 적층된 이중층에 걸쳐 전기장과 전하 분포의 특정 구성을 통해 전자는 높은 상관 관계를 나타냄. 즉, 모두 같은 작업을 시작하거나 같은 속성을 표시하기 시작함.

본 연구 성과는 ‘Nature Physics’ (“Symmetry breaking in twisted double bilayer graphene”) 지에 게재됨.