마름모꼴 패턴으로 5개 층으로 쌓인 그래핀은 희귀한 "다강성" 상태를 취하며, 여기서 재료의 전자(여기서 구로 표시됨)는 두 가지 선호되는 전자 상태, 즉 비전통적인 자성(각 전자 주위의 궤도로 표시됨)과 "계곡" 또는 두 가지 에너지 상태 중 하나에 대한 선호(빨간색 대 파란색으로 표시). (제공: 샘슨 윌콕스 / RLE)

일반 연필심은 원자만큼 얇은 층으로 깎아도 특별한 특성을 갖는다. 그래핀으로 알려진 단일 원자 얇은 흑연 시트는 인간 머리카락 너비의 아주 작은 부분에 불과하다. 현미경으로 보면, 이 물질은 탄소 원자가 육각형 격자로 연결된 치킨 와이어와 비슷하다.

과학자들은 그래핀이 예외적으로 강하다는 것을 수년에 걸쳐 발견했다. 그리고 재료를 특정한 뒤틀림으로 쌓아서 비틀면 놀라운 전자적 특성을 나타낼 수 있다.

이제 MIT 물리학자들은 그래핀의 또 다른 놀라운 특성을 발견했다. 마름모꼴 패턴으로 5개 층으로 쌓으면 그래핀은 매우 희귀한 "다강성" 상태를 취하며, 이 상태에서 재료는 색다른 자성과 이국적인 유형의 전자 동작을 모두 나타낸다. 팀은 철-밸리트리시티(ferro-valleytricity)를 만들어냈다.

MIT 물리학과 조교수이자 팀 리더인 롱 주(Long Ju)는 “그래핀은 매혹적인 물질이다. “추가하는 모든 레이어는 본질적으로 새로운 재료를 제공한다. 그리고 이제 5개 층의 그래핀에서 페로 밸리성과 비전통적인 자성을 본 것은 이번이 처음이다. 하지만 우리는 이 속성을 1개, 2개, 3개 또는 4개의 레이어에서는 볼 수 없다.”고 말한다.

이번 발견은 엔지니어들이 클래식 컴퓨터와 양자 컴퓨터를 위한 초저전력, 고용량 데이터 저장 장치를 설계하는 데 도움이 될 수 있다.

롱 주는 "하나의 재료에 다강성 특성이 있다는 것은 자기 하드 드라이브를 작성하는 데 에너지와 시간을 절약할 수 있다면 기존 장치에 비해 두 배의 정보량을 저장할 수도 있다는 것을 의미한다."라고 말한다.

그의 팀은 최근 네이저에 그들의 발견을 보고했다. MIT 공동저자에는 수석 저자인 Tonghang Han, Zhengguang Lu, Tianyi Han 및 Liang Fu가 포함된다. 하버드 대학교의 협력자 Giovanni Scuri, Jiho Sung, Jue Wang 및 Hongkun Park와 함께; 일본 국립 재료 과학 연구소의 Kenji Watanabe와 Takashi Taniguchi가 있다.

순서에 대한 선호

강성 재료는 전기적, 자기적 또는 구조적 특성에서 일부 조정된 동작을 나타내는 재료이다. 자석은 강성 물질의 일반적인 예이다. 자석의 전자는 외부 자기장 없이 동일한 방향으로 회전하도록 조정될 수 있다. 결과적으로 자석은 자발적으로 공간에서 선호하는 방향을 가리킨다.

다른 재료는 다른 방법을 통해 강성일 수 있다. 그러나 다강성(multiferroic)으로 밝혀진 것은 소수에 불과하다. 이는 여러 속성이 조정되어 여러 선호 상태를 나타낼 수 있는 드문 상태이다. 기존의 다중강성체에서는 자석이 한 방향을 향할 뿐만 아니라 전하도 자기 방향과 무관한 방향으로 이동하는 것처럼 보인다.

다강성 재료는 잠재적으로 하드 드라이브의 속도를 높이고 에너지 비용을 낮출 수 있기 때문에 전자 제품에 관심이 있다. 자기 하드 드라이브는 자기 구역(기본적으로 자기 방향에 따라 1 또는 0으로 판독되는 미세한 자석)의 형태로 데이터를 저장한다. 자석은 전류에 의해 전환되는데, 이는 많은 에너지를 소비하고 빠르게 작동할 수 없다. 다중강성 재료로 저장 장치를 만들 수 있다면 더 빠르고 훨씬 더 낮은 전력의 전기장으로 영역을 전환할 수 있다. 롱 주와 그의 동료들은 그래핀에서 다강성 거동이 나타날지 궁금해했다. 물질의 극도로 얇은 구조는 연구자들이 숨겨진 양자 상호 작용을 발견한 독특한 환경이다. 특히 주 교수는 그래핀이 특정 조건과 구성 하에서 배열될 때 전자들 사이에서 다강성, 조화된 거동을 나타낼지 궁금해했다.

주 교수는 “우리는 전자의 속도가 느려지는 환경, 즉 주변 원자 격자와의 상호 작용이 작아서 다른 전자와의 상호 작용이 이루어질 수 있는 환경을 찾고 있다.”라고 설명한다. "그때 우리는 전자의 흥미로운 집단적 행동을 볼 수 있는 기회를 갖게 된다."

연구팀은 몇 가지 간단한 계산을 수행한 후 능면체 패턴으로 함께 쌓인 5개의 그래핀 층 구조에서 전자 간의 일부 조정된 동작이 나타나야 함을 발견했다. (5개의 철조망 울타리가 쌓여 있고 약간 이동되어 위에서 보면 구조가 다이아몬드 패턴과 유사하다고 생각해 보라.)

5개 층에서 전자는 매우 느리게 움직이는 격자 환경에 있기 때문에 다른 전자와 효과적으로 상호 작용할 수 있다고 주교수는 말한다. "이때가 전자 상관 효과가 지배적이기 시작하고 선호하는 특정 강성 순서로 조정되기 시작할 수 있는 시점이다."

매직 플레이크

그런 다음 연구원들은 5층 그래핀에서 다강성 거동을 실제로 관찰할 수 있는지 확인하기 위해 실험실로 이동했다. 실험에서 그들은 작은 흑연 블록으로 시작하여 개별 플레이크를 조심스럽게 벗겨냈다. 그들은 광학 기술을 사용하여 각 플레이크를 조사했으며 특히 능면체 패턴으로 자연스럽게 배열된 5층 플레이크를 찾았다.

“어느 정도는 자연이 마법을 부리는 것 같다.”고 주저자이자 대학원생인 한(Han)이 말했다. "그리고 우리는 이 모든 플레이크를 보고 이 능면체 적층에서 어느 것이 5개의 층을 가지고 있는지 알 수 있는데, 이것이 전자의 속도 저하 효과를 제공해야 한다."

연구팀은 여러 개의 5층 플레이크를 분리하여 절대 영도 바로 위의 온도에서 연구했다. 이러한 초저온 조건에서는 그래핀 내에서 열적으로 유발된 장애와 같은 다른 모든 효과가 약화되어 전자 간의 상호 작용이 나타날 수 있다. 연구자들은 전기장과 자기장에 대한 전자의 반응을 측정한 결과 실제로 두 개의 강성 질서 또는 일련의 조화된 행동이 나타나는 것을 발견했다.

첫 번째 강성 특성은 색다른 자성이었다. 전자는 행성이 같은 방향으로 회전하는 것처럼 궤도 운동을 조정했다. (기존 자석에서 전자는 공간에 상대적으로 고정된 상태로 같은 방향으로 회전하는 "스핀"을 조정한다.)

두 번째 강성 특성은 그래핀의 전자 "계곡"과 관련이 있다. 모든 전도성 물질에는 전자가 차지할 수 있는 특정 에너지 레벨이 있다. 계곡은 전자가 자연적으로 정착할 수 있는 가장 낮은 에너지 상태를 나타낸다. 밝혀진 바와 같이, 그래핀에는 두 가지 가능한 계곡이 있다. 일반적으로 전자는 어느 계곡을 선호하지 않으며 양쪽 계곡에 동일하게 정착한다.

그러나 5층 그래핀에서 연구팀은 전자가 조화를 이루기 시작하고 다른 계곡보다 한 계곡에 정착하는 것을 선호한다는 것을 발견했다. 이 두 번째로 조화된 행동은 전자의 비전통적인 자기성과 결합하여 구조에 희귀한 다강성 상태를 부여하는 강성 특성을 나타낸다.

"우리는 이 구조에서 뭔가 흥미로운 일이 일어날 것이라는 것을 알고 있었지만 그것을 테스트하기 전까지는 정확히 무엇인지 알지 못했다"라고 주 교수 그룹의 박사후 연구원인 공동 제1저자 루(Lu)는 말했다. “우리가 페로밸리트로닉스를 본 것은 이번이 처음이고, 또한 기존의 페로자석과 페로밸리트로닉스의 공존을 본 것도 처음이다.”

연구팀은 전기장을 사용하여 두 가지 강성 특성을 모두 제어할 수 있음을 보여주었다. 그들은 엔지니어들이 5층 그래핀 또는 이와 유사한 다강성 물질을 메모리 칩에 통합할 수 있다면 원칙적으로 동일한 저전력 전기장을 사용하여 물질의 전자를 하나가 아닌 두 가지 방법으로 효과적으로 조작할 수 있다고 생각한다. 기존 멀티페로익스에 비해 칩에 저장할 수 있는 데이터가 두 배로 늘어난다. 그 비전이 실제 실현과는 거리가 멀지만, 팀의 결과는 더 우수하고 효율적인 전자, 자기 및 밸리트로닉 장치를 찾는 데 새로운 지평을 열었다.

이 연구는 부분적으로 MIT.nano가 운영하는 전자빔 리소그래피 시설을 사용하여 수행되었으며 부분적으로 국립과학재단(National Science Foundation)과 Sloan Foundation의 자금 지원을 받았다.