모두가 좋아하는 마법의 소재인 그래핀은 언제나 놀라움을 선사하는 것 같습니다. MIT의 물리학자들은 이제 이 놀랍고 작은 물질에 숨겨진 또 다른 새로운 전자 상태를 발견했습니다. 그 물질은 "철 계곡"이라는 기묘한 이름을 붙였습니다.
그래핀은 본질적으로 일반 흑연의 극히 얇은 조각입니다. 실제로 너무 얇아서 두께는 원자 1개에 불과합니다. 그러나 작은 시작에도 불구하고 그래핀은 초강력, 초전도성, 유연성을 갖추고 있으며 전자제품부터 의류, 항공우주 공학에 이르기까지 모든 것에 혁명을 일으킬 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 그래핀 시트를 쌓기 시작하고 특정 각도로 비틀기 시작하면 자성이나 초투수성과 같은 다른 놀라운 능력이 드러납니다.
새로운 연구에서 MIT 연구팀은 재료 세계에서는 매우 드문 또 다른 재료인 "다강성 거동"을 발견했습니다. 강성 물질은 입자의 행동이 조화를 이루는 물질입니다. 예를 들어 자석의 모든 전자는 외부 자기장이 없어도 동일한 방향으로 스핀을 향하게 됩니다. 다중강성(Multiferroics)은 자기가 한 방향을 가리키고 전하가 다른 방향을 가리키는 것처럼 하나 이상의 조정된 동작을 나타내는 물질입니다.
연구자들은 매우 특별한 상황에서 그래핀이 다강성 물질이 되어야 한다고 계산했습니다. 이론적으로 다강성은 5개의 그래핀 층이 서로 겹쳐질 때만 발생하며, 각 층은 약간 오프셋되어 3차원 전체가 마름모를 형성합니다.
5층 그래핀에서 전자는 매우 느리게 움직이는 결정 격자 환경에 있으므로 다른 전자와 효과적으로 상호 작용할 수 있습니다. 이것은 전자 관련 효과가 지배적이기 시작하고 선호하는 특정 페라이트 순서로 조정되기 시작할 수 있는 때입니다.
다음으로, 팀은 실제로 이론을 확인하기 시작하여 흑연 블록에서 그래핀 조각을 긁어내고 강력한 현미경으로 검사하여 자연적으로 이상적인 마름모 모양을 갖는 일부를 찾아냈습니다. 그런 다음 그들은 발견한 여러 유형의 그래핀을 분리하고 절대 영도 바로 위의 온도에서 연구했습니다. 이 온도에서는 다른 효과가 약해져서 그들이 찾고 있던 그래핀만 빛을 발했습니다.
물론, 연구팀은 이러한 특수 조각의 전자가 한 방향의 전기장과 다른 방향의 자기장에 균일하게 반응하여 다강성 거동을 확인한다는 사실을 발견했습니다. 그러나 이러한 개별적인 행동조차도 특이합니다. 자성은 전자의 스핀이 아닌 궤도 운동의 조정에서 발생합니다. 전자적 행동은 전자가 두 개의 밸리로 평균화되는 대신 우선적으로 하나의 "밸리"(또는 가장 낮은 에너지 상태)로 들어가는 결과입니다. 따라서 연구팀은 이 특이한 전자 상태를 '철골 특성'이라고 부른다.
이번 연구의 공동 저자인 Zhengguang Lu는 "우리는 이 구조에서 흥미로운 일이 일어나고 있다는 것을 알고 있었지만 테스트하기 전까지는 그것이 무엇인지 몰랐습니다."라고 말했습니다. "우리가 아이언 밸리 전자 장치를 본 것은 이번이 처음이며, 아이언 밸리 전자 장치가 비전통적인 강자성체와 공존하는 것을 본 것도 처음입니다."
연구원들은 이 독특한 동작이 결국 칩의 데이터 저장 용량을 효과적으로 두 배로 늘리는 데 활용될 수 있다고 말합니다.
이번 연구는 네이처 저널에 게재됐다.