조길영 교수와 DGIST 화학물리학과 김영욱 교수 연구팀의 공동연구로 비틀린 그래핀 구조에서 전자가 완전히 새로운 방식으로 움직이는 양자 상태를 발견했다고 8일 밝혔다. 더 효율적이고 빠른 전자 기기를 개발하거나, 복잡한 계산을 처리할 수 있는 양자 메모리와 같은 기술에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
양자 물리학은 자연에서 원자와 입자가 어떻게 상호작용하고 움직이는지를 설명하는 중요한 이론이다. 이를 이해하면 우리가 미시적 수준에서 자연을 제어하거나 이를 활용한 새로운 기술을 설계할 수 있는 기반을 제공한다. 특히, 이번 연구는 기존 반도체 기술로는 구현하기 어려운 양자 상태를 밝혀내면서 양자 기술의 미래 가능성을 크게 확장했다는 점에서 큰 의미를 가진다.
<DGIST 김도훈 박사과정생, 김영욱 교수, 포스텍 진세영 박사과정생, KAIST 조길영 교수>
그래핀은 탄소 원자로 이루어진 종잇장처럼 얇은 물질이다. 이번 연구에서는 그래핀 두 겹을 살짝 비틀어 겹친 독특한 구조를 활용해 새로운 양자 상태를 관찰했다. 이를 투명한 필름 두 장에 비유하자면, 각각의 필름 위에 규칙적인 무늬가 그려져 있고, 이 필름을 조금 돌리면 무늬들이 겹쳐 새로운 패턴이 나타나는 것과 같다.
연구팀은 이러한 새로운 패턴이 전자들의 움직임에 전혀 다른 규칙을 만들어내며, 층 사이에서 전자가 다른 층으로 넘어가지 못하도록 막아주는 동시에 전자들 간의 강한 상호작용(쿨롱 상호작용)이 발생한다는 사실을 밝혀냈다.
<측정된 양자홀 상태들과 그 상태들간 상전이(왼쪽)와 몬테 카를로 계산을 통한 바닥상태 이미지>