스핀과 밸리자유도를 동시에 조절하는 스핀/밸리트로닉스 구현가능성 제시
서울시립대학교 물리학과(스마트시티학과 겸직) 정재일 교수 연구팀이 인도 IISc(Indian Institute of Science) Chandni Usha 교수 연구팀과의 공동 연구로 기존에 초전도 현상이 관측되던 마법 각도(1.1도)로 회전된 결합된 두 층 그래핀에 WSe2층을 쌓아 얻은 이종접합구조에서 0에 가까운 자기장 하에서도 스핀대칭성과 밸리대칭성이 붕괴된 반정수 전자상태를 발견했다.
공동연구팀은 기계적 박리법을 사용해 마법각도 회전 이층 그래핀/WSe2구조가 육각질화붕소로 감싸진 형태의 소자를 구현하는 데 성공했고, 홀측정과 열전도도측정을 통해 기존의 회전 이층 그래핀 연구에서 관측되지 않았던 ν=1에서의 홀농도의 반전과 ν=0.5, 3.5의 반정수 상태를 관측했다. 또한 이 반정수 상태는 0에 가까운 자기장 하에서도 유지되어 강한 전자상호작용에 의한 전하밀도파 또는 스핀밀도파상태에서 기인함을 예측했으며 밀접결합근사모델 시뮬레이션을 통해 실제 전하밀도파가 있는 마법각도 회전그래핀/WSe2구조에서 WSe2가 부여하는 스핀궤도 상호작용효과로 인해 스핀과 밸리대칭이 붕괴된 반정수 상태들이 나타남을 밝혀냈다. 이렇게 안정적인 대칭붕괴상태에는 전류의 스핀특성과 밸리특성 선택이 가능함으로 마법각도 회전그래핀에서 나타나는 플랫한 밴드특성과 결합하여 차세대 스핀/밸리트로닉스 발전에 새로운 가능성을 제시한다.
정재일 교수는 “본 연구를 통해 밝혀낸 반정수 대칭붕괴상태는 회전이층그래핀의 독특한 전자구조로 인해 스핀/밸리 정보가 구분이 된 전류를 흘려보낼 수 있을 것”이라며 “앞으로 스핀/밸리에 기반한 전자소자의 물리적 연구와 더불어 양자컴퓨터분야 등 위상학적으로 보호된 큐비트 구현에도 응용할 수 있다.”라고 설명했다.
이번 연구 성과는 삼성미래기술육성사업, 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자 자원사업, 국토교통부의 스마트시티 혁신인재육성사업과 교육부의 4단계 BK21 사업의 지원으로 수행되었으며, 국제학술지 Nature Physics(Impact factor: 20.113)에 ‘Broken-symmetry states at half-integer band fillings in twisted bilayer graphene’이라는 제목으로 4월 4일 온라인 판에 게재되었다.
[붙임] 연구자 사진
Bhowmik Saisab 학생 (좌측 상단, 제1저자), Chandni Usha 교수 (중앙 상단, 공동 교신저자), Appalakondaiah Samudrala 박사 (우측 상단, 공동저자),
이동규 학생 (좌측 하단, 공동저자), 정재일 교수 (중앙 하단, 공동저자), Leconte Nicolas 박사 (우측 하단, 공동 교신저자)
