원자 질량을 구성하는 “황금률”

물리학자들은 초파상 격자를 정밀하게 정렬하는 기술을 개발하여 차세대 물결 모양 양자 물질의 가능성에 혁명을 일으켰습니다.

싱가포르 국립대학교(NUS)의 물리학자들은 일련의 황금률을 사용하여 초파동 격자의 정렬을 정밀하게 제어하는 ​​기술을 개발하여 차세대 물결 모양 양자 물질이 발전할 수 있는 길을 열었습니다.

슈퍼모아레 격자

모아레 패턴은 두 개의 동일한 주기 구조가 그들 사이의 상대 비틀림 각도로 중첩되거나 두 개의 서로 다른 주기 구조가 비틀림 각도가 있거나 없이 중첩될 때 형성됩니다. 비틀림 각도는 두 구조의 결정 방향 사이의 각도입니다. 예를 들어, 그래핀 육방정계 질화붕소(hBN)는 층이 서로 겹쳐진 물질로, 두 구조의 원자가 완벽하게 정렬되지 않아 모아레 패턴이라고 불리는 간섭 무늬 패턴이 생성됩니다. 이로 인해 전자 재구성이 발생합니다.

그래핀과 hBN의 모아레 패턴은 위상 전류 및 Hofstadter 나비 상태와 같은 이국적인 특성을 가진 새로운 구조를 만드는 데 사용되었습니다. 두 개의 모아레 패턴이 겹쳐지면 모아레 네트워크라는 새로운 구조가 생성됩니다. 기존의 단일 파장 재료와 비교하여 이 Ultra-wave 웹은 조정 가능한 재료 특성의 범위를 확장하여 훨씬 더 광범위한 응용 분야에서 잠재적으로 사용할 수 있습니다.

NUS대학교 물리학과의 성과

싱가포르 국립대학교 물리학과 아리안도(Arriando) 교수 연구팀이 기술을 개발해 hBN/그래핀/hBN 슈퍼모아레의 제어된 정렬을 성공적으로 달성했습니다. 이 기술을 사용하면 두 개의 모아레 패턴을 서로 겹쳐서 정확하게 배열할 수 있습니다. 한편, 연구원들은 또한 슈퍼 리플 네트워크를 생성하기 위한 기술 사용을 안내하기 위해 “3가지의 황금률”을 공식화했습니다.

그 결과는 최근 저널에 게재되었습니다. 네이처커뮤니케이션즈.

그래핀, 육방정계 질화붕소(T-hBN)의 최상층 및 육방정계 질화붕소(B-hBN)의 최하층 사이에 형성된 꼬인 각도(θt 및 θb)를 갖는 슈퍼 모퍼 격자에 대한 예술가의 그림. 약간의 정렬 불량으로 인해 슈퍼 moppy 격자 패턴이 형성됩니다. 신용: 자연 커뮤니케이션

과제와 솔루션

매우 질긴 그래핀 격자를 만드는 데에는 세 가지 주요 과제가 있습니다. 첫째, 기존의 광학 정렬은 그래핀의 직선 모서리에 크게 의존하지만 적합한 그래핀 웨이퍼를 찾는 데는 시간이 많이 걸리고 노동 집약적입니다. 둘째, 직선 모서리 그래핀 샘플을 사용하더라도 모서리 비대칭 및 격자 대칭에 대한 불확실성으로 인해 이중 정렬된 모아레 격자를 얻을 확률이 1/8로 낮습니다. 셋째, 모서리 대칭과 격자 대칭을 결정할 수 있지만 두 개의 서로 다른 격자 재료를 정렬하는 것이 물리적으로 어렵기 때문에 정렬 오류가 큰 경우가 많습니다(0.5° 이상).

연구 논문의 주 저자인 Junxiong Ho 박사는 다음과 같이 말했습니다. “우리의 기술은 실제 문제를 해결하는 데 도움이 됩니다. 몇몇 연구자들은 샘플을 처리하는 데 보통 일주일 정도 걸린다고 말했습니다. 우리의 기술을 이용하면 제조시간을 획기적으로 단축할 수 있을 뿐만 아니라 성능도 크게 향상시킬 수 있습니다. 정확성 샘플의.”

예술적 비전

과학자들은 처음에 hBN 최상층과 그래핀의 정렬을 제어하기 위해 “30도 회전 기술”을 사용하고 있습니다. 그런 다음 ‘역전 기술’을 사용하여 상부 hBN 층과 하부 hBN 층의 정렬을 제어합니다. 이 두 가지 방법을 바탕으로 격자 대칭성을 제어하고 그래핀 초파장 격자의 밴드 구조를 조정할 수 있다. 그들은 또한 인접한 흑연 가장자리가 적층 정렬을 위한 가이드 역할을 할 수 있음을 보여주었습니다. 본 연구에서 그들은 0.2°보다 나은 정확도로 20개의 모아레 샘플을 합성했습니다.

Arriando 교수는 다음과 같이 말했습니다. “우리는 2차원 재료 커뮤니티의 많은 연구자에게 도움이 될 수 있는 기술에 대한 세 가지 황금률을 확립했습니다. 우리의 연구는 또한 매직 앵글 트위스트 이중층 그래핀이나 ABC 적층 다층 그래핀과 같은 강력하게 상관된 다른 시스템을 연구하는 많은 과학자들에게 도움이 될 것으로 예상됩니다. 이번 기술 개선을 통해 차세대 양자파물질 개발이 가속화되길 기대한다.

앞으로의 노력

현재 연구팀은 이 기술을 활용하여 단층 초파장 그래핀 격자를 제작하고 이 재료 시스템의 고유한 특성을 탐색하고 있습니다. 또한 그들은 기존 기술을 다른 물리적 시스템으로 확장하여 다른 새로운 양자 현상을 발견하고 있습니다.

참고 자료: Junxiong Hu, Junyou Tan, M.M.의 “이중 정렬 그래핀 이종구조에서 초유체 격자의 제어된 정렬” Al-Ezzi, Udvas Chattopadhyay, Jian Gou, Yuntian Zheng, Zihao Wang, Jiayu Chen, Reshmi Thottathil, Jiangbo Luo, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Andrew Thai Shen Wei, Shafik Adam 및 A. Arriando, 2023년 7월 12일, 여기에서 확인 가능. 네이처커뮤니케이션즈.
도이: 10.1038/s41467-023-39893-5