과학자들이 초전도 흑연 구조에 대한 새로운 발견

흑연은 2차원 탄소기 재료로 원자가 두꺼운 탄소층으로 구성되어 있으며 연필심에서 발견된 같은 흑연을 박리하여 만들어진다.이런 얇은 재료는 완전히 탄소 원자로 구성되어 간단한 육각형 도안으로 배열된다.2004년에 처음으로 흑연을 분리한 이래로 과학자들은 이미 흑연이 그 단층 형식에서 많은 비범한 특성을 구현한 것을 발견하였다.

2018년에 마성이공대학(MIT)의 과학자들은 만약에 두 개의 그래핀층이 매우 구체적인'신기하다'각도로 쌓이면 비뚤어진 이중 구조가 강력한 초전도성을 나타낼 수 있다는 것을 발견했다.이런 광범위하게 탐구된 재료 상태에서 전류는 제로 에너지 손실로 흐를 수 있다.최근 같은 연구팀은 비뚤어진 3층 그래핀에 유사한 초전도 상태가 존재하는 것을 발견했다. 세 개의 그래핀층이 정확하고 새로운'마각'으로 쌓인 구조이다.

현재 이 연구팀은 4층과 5층의 그래핀이 새로운'마각'으로 비뚤어지고 쌓여 저온에서 강력한 초전도성을 불러일으킬 수 있다고 보고했다.이 최신 발견은 2022년 7월 7일 《자연-재료》 잡지에 발표되어 그래핀의 각종 비틀림과 퇴적 배치를 최초로 알려진 다층 마각 초전도체의'가족'으로 확립하였다.이 팀은 그래핀 가족 간의 유사성과 차이도 확정했다.

이 새로운 발견은 디자인이 실용적인 실온 초전도체의 청사진으로 삼을 수 있다.만약 가족 구성원 간의 특성이 다른 천연 전도 재료에서 복제될 수 있다면, 예를 들어 소모 손실이 없는 상황에서 전력을 수송하거나 마찰이 없는 자기부상열차를 건설하는 데 이용될 수 있다.

"마각 그래핀 시스템은 현재 합법적인'가족'으로 몇 가지 시스템을 뛰어넘고 있다"고 주요 저자인 마성이공대학 물리학과 대학원생 정민(Jane) 박이 말했다."이 가족을 갖는 것은 매우 의미가 있다. 왜냐하면 그것은 안정적인 초전도체를 설계하는 방법을 제공했기 때문이다."

박의 마성이공대학 공동 저자로는 조원, 하리조, 손수문, 세틸, 이다그린 물리학 교수 파블로 자릴로 헤레로, 일본 축파국가재료과학연구소의 켄지 와타나베와 타카시 타니구치가 있다.

Jarillo-Herrero팀은 마각 그래핀을 최초로 발견한 사람으로 그 형식은 두 개의 그래핀 조각의 이중 구조로 하나는 다른 위에 놓고 1.1도의 정확한 각도로 약간 이동한다.이런 비뚤어진 배치, 즉 이른바 몰 초결정격은 초저온도에서 이런 재료를 강력하고 지속적인 초전도체로 전환시킨다.

연구진은 또 이런 재료는'평대'라고 불리는 전자 구조를 나타내는데 이런 구조에서 재료의 전자는 같은 에너지를 가지고 동량을 고려하지 않는다는 것을 발견했다.이런 평대 상태에서, 그리고 초저온에서 통상적으로 열광하는 전자 집단은 속도를 늦추어 이른바 쿠퍼 쌍에서 배합하기에 충분하다. 이것은 초전도성의 기본 성분으로 저항 없이 재료를 흘릴 수 있다.

연구진은 비뚤어진 이중 그래핀이 초전도성 평화대 구조를 동시에 나타내는 것을 관찰했지만 전자가 후자에서 왔는지는 분명하지 않다.

박 씨는 "평대 구조가 초전도성을 일으켰다는 증거는 없다. 그때부터 다른 팀은 다른 재료에서 다른 비뚤어진 구조를 만들었다. 이 재료들은 평탄한 띠 구조를 가지고 있지만 진정으로 강한 초전도성을 가지고 있지 않다. 그래서 알고 싶다. 우리가 또 다른 평대 초전도 설비를 생산할 수 있을까?"라고 말했다.

그들이 이 문제를 고려할 때 하버드대 한 팀이 얻은 계산 결과는 수학적으로 세 개의 그래핀층이 1.6도의 각도로 비뚤어져도 평대를 나타내고 초전도될 수 있다는 것을 증명했다.그들은 만약 정확한 방식으로 쌓이고 비뚤어지면 그들이 예측하는 각도에서 초전도성을 나타내는 그래핀층의 수량에 제한이 없을 것이라고 계속 밝혔다.마지막으로 그들은 수학에서 모든 다층 구조를 하나의 공통된 벨트 구조와 연결시킬 수 있다는 것을 증명했다. 벨트가 강력한 초전도성을 초래할 수 있다는 것을 유력하게 증명했다.

"그들은 이런 전체 그래핀 구조의 차원부터 무한층까지 평대 구조의 유사한 수학적 표현에 대응할 수 있다는 것을 연구해 냈다."라고 박은 말했다.

이 작업이 끝난 지 얼마 되지 않아 Jarillo-Herrero팀은 비뚤어진 3층 그래핀에 초전도성 평화대인 3층 그래핀 조각이 치즈 샌드위치처럼 쌓여 있고 중간 치즈층은 중간에 끼워진 외층에 비해 1.6도 이동하는 것을 발견했다.그러나 3층 구조는 이중 대응물에 비해 미묘한 차이를 보인다.

"이것은 전체 재료 유형에 대해 말하자면, 이 두 가지 구조가 어디에 적합한지, 그것들은 같은 가족에서 왔는지 물어봅시다."박이가

비상식적인 가족

현재 연구에서 이 팀은 그래핀층의 수를 높이기를 희망한다.그들은 각각 4층과 5층의 그래핀으로 만든 두 가지 새로운 구조를 만들었다.모든 구조는 비뚤어진 삼층 그래핀과 유사한 이위 치즈 샌드위치로 교체되어 쌓여 있다.

연구팀은 이 구조들을 1켈빈(약 -273도)보다 낮은 냉장고에 넣어 전류를 각 구조를 통과하게 하고 각종 조건에서의 출력을 측정해 이중과 3층 시스템에 대한 테스트와 유사하게 했다.

전반적으로 말하자면, 그들은 4층과 5층의 비뚤어진 그래핀도 강력한 초전도성과 평대 구조를 나타낸다는 것을 발견했다.이런 구조는 그들의 3층 대응물과 다른 유사점이 있는데, 예를 들어 서로 다른 강도, 각도와 방향의 자장하에서의 반응 등이다.

이런 실험들은 비뚤어진 그래핀 구조가 새로운 가족이나 일반적인 초전도 재료로 여겨질 수 있음을 보여 준다.실험은 또 이 가족 중 한 마리가 군중에게 해를 끼치는 말이 있을 수도 있다는 것을 보여 주었다.원시적인 비뚤어진 이중 구조는 관건적인 속성을 공유하지만 그것의'형제자매들'과의 미묘한 차이를 나타낸다.예를 들어 이 그룹의 이전 실험에 따르면 다층 구조에 비해 이 구조의 초전도성은 비교적 낮은 자장 아래에서 깨지고 자장의 회전에 따라 더욱 고르지 않다고 한다.

연구팀은 각 구조 유형에 대해 시뮬레이션을 실시하여 가족 간의 차이에 대해 설명했다.그들이 얻은 결론은 비뚤어진 이중 그래핀의 초전도성이 일부 자장 조건에서 사라졌다는 사실이다. 단지 그 모든 물리층이 구조에서'비경상'의 형식으로 존재하기 때문이다.다시 말하면 이 구조에는 두 층이 서로 거울로 대립되는 것이 없고 그래핀의 다층 구조는 어떤 거울의 대칭성을 나타낸다.이러한 발견은 전자를 구동하는 강력한 초전도 상태에서 흐르는 메커니즘이 전체 비뚤어진 그래핀 가문에서 같다는 것을 나타낸다.

"그건 상당히 중요해."라고 박이 지적했다."이 점을 모르면 이중 그래핀이 다층 구조에 비해 더 전통적이라고 생각할 수도 있다. 그러나 이 가족 전체가 비상식적이고 안정적인 초전도체일 수도 있다는 것을 보여준다."