'매직 앵글' 그래핀에서 초전도 스위치 켜고 끄기

[아름이]

'매직 앵글' 그래핀에서 초전도 스위치 켜고 끄기
빠른 전기 펄스는 재료의 전자 특성을 완전히 뒤집어 초고속, 뇌에서 영감을 받은 초전도 전자 장치로 가는 길을 열어줍니다.
날짜:
2023년 1월 30일
원천:
매사추세츠 공과대학
요약:
물리학자들은 매직 앵글 그래핀에서 초전도성을 켜고 끄는 새로운 방법을 발견했습니다. 이 발견은 인간 두뇌에서 뉴런의 빠른 켜기/끄기 발사와 유사하게 작동하는 '뉴로모픽' 전자 장치를 위한 초고속 에너지 효율적인 초전도 트랜지스터로 이어질 수 있습니다.

MIT 물리학자들은 약간의 조심스러운 비틀림과 적층을 통해 "매직 앵글" 그래핀의 새롭고 이국적인 특성을 밝혀냈습니다. 전등 스위치와 같이 전기 펄스로 켜고 끌 수 있는 초전도성입니다.

이 발견은 뉴로모픽 장치를 위한 초고속 에너지 효율적인 초전도 트랜지스터로 이어질 수 있습니다. 전자 장치는 인간 두뇌에서 뉴런의 빠른 온/오프 발화와 유사한 방식으로 작동하도록 설계되었습니다.

Magic-angle graphene은 치킨 와이어와 유사한 육각형 패턴으로 연결된 탄소 원자로 만든 원자 두께의 물질인 그래핀의 매우 특별한 적층을 말합니다. 그래핀 한 장을 정확한 "매직" 각도로 두 번째 시트 위에 쌓으면 꼬인 구조가 약간 오프셋된 "모아레" 패턴 또는 초격자를 생성하여 놀라운 전자 동작을 지원할 수 있습니다.

2018년에 MIT의 Pablo Jarillo-Herrero와 그의 그룹은 마법 각도로 꼬인 이중층 그래핀을 최초로 시연했습니다. 그들은 새로운 이중층 구조가 특정한 연속적인 전기장을 가할 때 나무처럼 절연체로 거동할 수 있음을 보여주었습니다. 자기장을 높였을 때 절연체는 갑자기 초전도체로 변해 전자가 마찰 없이 흐를 수 있게 되었습니다.

그 발견은 2차원 재료의 뒤틀림과 적층에서 특정 전자 특성이 어떻게 나타나는지 탐구하는 분야인 "twistronics"를 탄생시켰습니다. Jarillo-Herrero를 포함한 연구원들은 서로 다른 전자 상태 사이에서 재료를 전환하는 다양한 방법을 포함하여 매직 앵글 그래핀의 놀라운 특성을 계속해서 밝혀냈습니다. 지금까지 이러한 "스위치"는 초전도성을 켜고 유지하기 위해 연구자가 전기장 또는 자기장을 지속적으로 적용해야 한다는 점에서 조광기처럼 작동했습니다.

이제 Jarillo-Herrero와 그의 팀은 매직 앵글 그래핀의 초전도성이 연속적인 전기장이 아닌 짧은 펄스만으로 켜질 수 있고 계속 켜질 수 있음을 보여주었습니다. 그들이 발견한 핵심은 뒤틀림과 쌓임의 조합이었습니다.

네이처 나노테크놀로지( Nature Nanotechnology ) 에 게재된 논문 에서 연구팀은 2차원 절연 물질인 질화붕소의 두 오프셋 층 사이에 마법각 그래핀을 적층함으로써 샌드위치 구조의 독특한 정렬을 통해 연구원들이 그래핀의 짧은 전기 펄스로 초전도를 켜고 끕니다.

"대부분의 재료에서 전기장, zzzzip을 제거하면 전기 상태가 사라집니다."라고 MIT의 Cecil 및 Ida Green 물리학 교수인 Jarillo-Herrero는 말합니다. "전기적으로 갑자기 켜고 끌 수 있는 초전도 재료가 만들어진 것은 이번이 처음입니다. 이것은 꼬인 그래핀 기반 초전도 전자 장치의 새로운 세대를 위한 길을 열 수 있습니다."

그의 MIT 공동 저자는 일본 국립 재료 과학 연구소의 Kenji Watanabe 및 Takashi Taniguchi와 함께 주 저자 Dahlia Klein, Li-Qiao Xia 및 David MacNeill입니다.

스위치 뒤집기

2019년 스탠포드 대학의 한 팀은 매직 앵글 그래핀이 강자성 상태로 강제될 수 있음을 발견했습니다. 강자성체는 외부에서 인가된 자기장이 없는 경우에도 자기 특성을 유지하는 재료입니다.

연구진은 매직 앵글 그래핀이 켜고 끌 수 있는 방식으로 강자성 특성을 나타낼 수 있음을 발견했습니다. 이것은 그래핀의 결정 구조가 질화붕소 층 중 하나에 정렬되도록 그래핀 시트가 두 장의 질화붕소 시트 사이에 적층되었을 때 발생했습니다. 배열은 빵의 위쪽 조각과 치즈 방향이 정렬된 치즈 샌드위치와 유사하지만 아래쪽 빵 조각은 위쪽 조각에 대해 임의의 각도로 회전합니다. 결과는 MIT 그룹의 흥미를 끌었습니다.

"우리는 두 슬라이스를 정렬하여 더 강한 자석을 얻으려고 노력했습니다."라고 Jarillo-Herrero는 말합니다. "대신 완전히 다른 것을 발견했습니다."

현재 연구에서 팀은 조심스럽게 각을 이루고 쌓인 재료로 샌드위치를 ​​제작했습니다. 샌드위치의 "치즈"는 매직 앵글 그래핀으로 구성되어 있습니다. 두 개의 그래핀 시트로 구성되어 있으며 상단은 하단 시트에 대해 1.1도의 "매직" 각도로 약간 회전했습니다. 이 구조 위에 그들은 상부 그래핀 시트와 정확히 정렬된 질화붕소 층을 배치했습니다. 마지막으로, 그들은 전체 구조 아래에 질화붕소의 두 번째 층을 배치하고 질화붕소의 최상층에 대해 30도 오프셋했습니다.

그런 다음 팀은 게이트 전압을 적용할 때 그래핀 층의 전기 저항을 측정했습니다. 그들은 다른 사람들과 마찬가지로 꼬인 이중층 그래핀이 전자 상태를 전환하여 알려진 특정 전압에서 절연, 전도 및 초전도 상태 사이를 전환한다는 것을 발견했습니다.

그룹이 예상하지 못한 것은 각 전자 상태가 전압이 제거되면 즉시 사라지지 않고 지속된다는 것입니다. 쌍안정성으로 알려진 특성입니다. 그들은 특정 전압에서 그래핀 층이 초전도체로 바뀌고 연구원들이 이 전압을 제거하더라도 초전도성을 유지한다는 것을 발견했습니다.

이 쌍안정 효과는 전등 스위치를 깜박이는 것과 유사하게 연속 전기장이 아닌 짧은 전기 펄스로 초전도성을 켜고 끌 수 있음을 시사합니다. 이 전환 가능한 초전도성을 가능하게 하는 것이 무엇인지는 분명하지 않지만 연구원들은 그것이 시스템의 강유전체와 같은 반응을 가능하게 하는 두 개의 질화붕소 층에 대한 꼬인 그래핀의 특별한 정렬과 관련이 있다고 의심합니다. (강유전성 재료는 전기적 특성에서 쌍안정성을 나타낸다.)

"스태킹에 주의를 기울임으로써 매직 앵글, 초전도 장치의 복잡성이 증가함에 따라 또 다른 튜닝 노브를 추가할 수 있습니다."라고 Klein은 말합니다.

현재 팀은 새로운 초전도 스위치를 연구원들이 더 빠르고 더 작고 에너지 효율적인 전자 장치를 위한 재료를 개발할 때 고려할 수 있는 또 다른 도구로 보고 있습니다.

"사람들은 뇌에서 영감을 얻은 방식으로 계산을 수행하는 전자 장치를 만들려고 노력하고 있습니다."라고 Jarillo-Herrero는 말합니다. "뇌에는 특정 임계값을 넘어서 발화하는 뉴런이 있습니다. 유사하게 이제 매직 앵글 그래핀이 특정 임계값을 넘어서 갑자기 초전도성을 전환하는 방법을 찾았습니다. 이것은 뉴로모픽 컴퓨팅을 실현하는 핵심 속성입니다. ."

이 연구는 부분적으로 공군 과학 연구실, 육군 연구실, 고든 앤 베티 무어 재단의 지원을 받았습니다.

출처 : https://www.sciencedaily.com/