- 2019년 3월 29일

[물리뉴스] 그래핀의 magic angle

최종 수정일: 2019년 3월 30일

작년 미국물리학회를 뜨겁게 달군 주제가 있었습니다. 그것은 바로 그래핀에게서 초전도 현상을 관찰 할 수 있는 magic angle을 찾게 된 것이었습니다 미국 매사추세츠공과대(MIT) 물리학과 파블로 자릴로헤레로 교수의 연구팀은 그래핀을 초전도체로 만드는 실험에 성공하였습니다. 연구팀은 그래핀 두장을 1.1도 돌려서 겹친 샘플에서 초전도 현상을 관찰하였고 그들은 이 각도를 magic angle 이라고 이름을 붙이게 되었습니다.

그래핀이란 무엇인가?

그러면 과연 그래핀은 무엇이고 초전도 현상이란 무엇일까요? 먼저 그래핀(graphene)은 탄소의 동소체 중 하나로 탄소원자들이 육각형의 각 꼭짓점에 존재하여 2차원의 벌집구조를 이루는 물질을 이야기합니다. 그래핀과 흑연과 유사한 구조를 이루지만 그래핀의 경우 두께가 원자 1개 정도 크기인 매우 얇은 막을 형성하기 때문에 화학적, 물리적으로 매우 안정하며 많은 장점을 가집니다. 그래핀은 높은 전성, 열전도도, 영 계수, 빛 투과율을 가져 "꿈의 나노물질"이라는 별명을 가지고 있습니다.

초전도현상: 양자의 세계

초전도 현상(superconductivity)이란 어떠한 물질이 특정조건에서 전기저항이 0이되고 반자성을 성질을 띄는 현상을 이야기합니다. 초전도체의 전기저항이 0 인 이유는 어떠한 특정 조건에서 전자들은 에너지의 안정성에 의해 2개씩 쌍을 이루면서 돌아다니게 되는 쿠퍼쌍(cooper pair)을 이루게 되는데 이러한 쿠퍼쌍이 전류를 흘릴경우 즉 전기장을 가할 경우 포논과 쿠퍼쌍이 충돌하지 않으면서 전기저항이 0이되게 됩니

또 초전도체는 반자성을 띄게 되는데 반자성을 보여주는 가장 명확한 예시는 마이스너 효과입니다. 보통의 전도체들은 외부에서 자기장이 가해질 경우 전도체에 전류가 유도되어 그 전류를 통한 자기장을 통해 상쇄를 시키지만 초전도체는 자기장이 초전도체 내부로 침투조차 못하게 하는데 그것을 마이스너 효과라고 합니다.

그래핀의 초전도체

그래핀에서의 초전도 현상은 위에서 말했듯이 그래핀의 1.1도 기울인 이중층에서 온도가 1.7K일 때 관찰되게 됩니다. 하지만 위에서 설명한 일반적인 초전도 현상을 통해 그래핀의 초전도 현상을 설명하기는 어렵습니다. 그래핀의 경우 겹쳐진 그래핀에서 flat bond가 형성되어서 Van hove singularity가 형성되면서 초전도 현상이 일어나게 됩니다. 또 이중층의 그래핀은 구리 산화물과 유사한 상태를 가지는데 그래서 구리 산화물을 통해서 그래핀의 초전도 현상을 유추하였습니다.

그래핀 초전도체의 장점

이러한 그래핀을 이용하여 만든 초전도체는 무슨 이점을 가질까요? 먼저 우리가 초전도체를 만들 때 보통 합금을 이용하여서 만들었지만 그래핀은 탄소를 통해서 만들었기 때문에 다른 것들과 차별점을 가지고 한정된 자원에서 비교적 제한되지 않은 자원인 탄소를 통해서 초전도체를 만들 수 있다는 점에서 매우 인상적이다. 또 다른 초전도체와 다른 이론을 통해 만들어지는 그래핀 초전도체는 아직 미완성된 초전도레의 이론을 연구하기 위한 좋은 소재가 되기도 한다.

필요한 피직스 2019 봄호

작성자:19-097 정의택

분야: 고체물리

참고문헌:

[1] Nature - Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices

https://www.nature.com/articles/nature26160

[2] 위키백과 - bcs 이론

https://ko.wikipedia.org/wiki/BCS_%EC%9D%B4%EB%A1%A0

[3] 위키백과 - 그래핀

https://ko.wikipedia.org/wiki/%EA%B7%B8%EB%9E%98%ED%95%80

[4] 동아사이언스 - 그래핀을 초전도체로 만드는 '마법각도 찾았다

http://dongascience.donga.com/news.php?idx=21641