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그래핀의 전기적 특성, 새로운 광학전자 부품개발에 희망.

그래핀, 일반적인 원형 경로의 전자운동을 육각형 모양으로 변형시킨다.

비정상적인 효과 :
일반적으로 자기장 속에 있는 전자는 결정 내부 또는 거대한 입자 가속기에서 항상 원형 경로를 따라 이동한다. 그러나 그래핀에서는 다르다. 두 개의 탄소층 사이에 갇힌 전자는 최근 실험에서 밝혀진 것처럼 육각형 코스를 따른다. 이는 그래핀의 전자적 특성을 확인하는 동시에 맞춤형 재료에 대한 접근 방식을 열어준다. 

▲ 이중층 그래핀에서 전자는 자기장 영향하에서 보통의 경우와 같이 원이 아닌 육각형 모양으로 움직인다. © Ming-Hao Liu, Tainan

우리는 이미 학교에서 전자 또는 이온과 같은 하전 입자가 자기장에서 원형 경로를 따라 이동한다는 것을 배웠다. 이것은 전자의 이동 방향에 가장 강하게 수직으로 작용하여 전자를 측면으로 편향시키는 로렌츠(Lorentz) 힘 때문이다. 이 효과는 금속 및 반도체의 전자에서 관찰 할 수 있지만, 입자 가속기 또는 자유 전자 레이저에서 전자를 계속 유지하는데도 사용된다.

그래핀의 전자 역학

밝혀진 바와 같이, 이 원형 궤도 규칙이 적용되지 않는 물질이 분명히 있다.
그래핀. 단층 탄소 망으로 구성된 이 소재는 강철보다 단단하고 특이한 전기적 특성을 보인다. 예를 들어, 그래핀 두 겹을 일정한 각도로 쌓으면 초전도체가 된다.

KIT(Karlsruhe Institute of Technology)의 라이너 크라프트(Rainer Kraft)와 그의 동료들은 최근 이러한 그래핀 이중 층을 실험에 사용했다. 그들은 모아레 효과(Moire-Effect)로 인해 격자가 주기적인 패턴을 형성하는 방식으로 두 개의 그래핀 층을 서로 위아래에 놓았다.
자기장을 적용하면 이 특수 격자 구성도 분석에서 보여준 것처럼 전자의 움직임을 변경한다.

양자 효과는 육각 궤도로 전자를 휘게 한다.

특히, 연구자들은 그래핀의 전자가 더이상 평소처럼 원형 궤도를 따라가는 것이 아니라 육각형 궤도를 따라 움직이는 것을 관찰했다. Kraft와 그의 팀은 “약한 자기장에서 입자의 역학은 이상하게 직선 구간을 특징으로 한다”고 보고했다. 결과적으로 전자는 원 대신 육각형을 그린다. 입자의 새로운 행동이다.

과학자들은 이것이 그래핀의 모아레 격자와 하전된 입자의 상호 작용에서 발생하는 양자 효과 때문이라고 생각한다. 분명히 그래핀에서 에너지 밴드의 비정상적인 구조가 결정적인 역할을한다. 이들이 물질에서 전자가 차지하는 에너지 수준을 설명한다.

▲ 이 그래픽은 이중층 그래핀 격자에서 양자 효과에 의해 생성된 복잡한 에너지 표면을 보여준다. © Ming-Hao Liu, Tainan

이러한 밴드의 위치는 일반적으로 그래핀에서 전자가 특히 잘 이동할 수 있도록 보장하지만 이중 층을 양자 물리적으로 더 제한하는 것 같다.

신소재의 출발점

과학자들에 따르면, 그들의 결과는 그렇게 나타나는 양자 효과에 대한 새로운 통찰력을 열어 주고, 전자적 특성을 가진 맞춤형 새로운 물질을 만드는 데 매우 실용적으로 사용될 수도 있다. 격자 구조의 표적 조작을 통해 전자의 이동 방향을 강력하고 매우 표적화된 방식으로 지정할 수 있다.
Kraft와 동료들은 새로운 전자 광학부품 개발을 향한 한 걸음 더 나아간 것이라고 했다.
(Physical Review Letters¸ 2020; doi : 10.1103 / PhysRevLett.125.217701)
출처 : 레겐스부르크 대학교, KIT

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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