서울대·복합상물질센터, 단일층 카고메 격자 소재 A2T3X4로 평탄밴드 전자밀도 100배 향상 확인

카고메 격자란 무엇인가

카고메 격자는 꼭짓점을 공유하는 삼각형들이 반복되며 육각형 공간을 형성하는 원자 배열 구조다. 이 구조에서는 일반적인 육각형 격자(흑연·그래핀)와 달리, 운동량에 관계없이 에너지가 거의 동일한 전자 상태, 즉 평탄밴드가 출현할 수 있다. 평탄밴드 전자는 마치 유효질량이 무한대에 가깝게 행동하며, 비정상 초전도와 분수 위상 상태 같은 희귀 양자 현상의 무대가 된다. 기존 카고메 소재들은 대부분 3차원 결정 구조여서, 층간 상호작용이 카고메 고유의 물리를 가렸다는 게 연구진의 판단이다.

183,000종 데이터베이스와 소재 발굴

연구팀은 약 18만 3,000종의 물질 데이터베이스를 구축한 뒤, 그 가운데 약 5,300종이 카고메 격자 구조를 가짐을 확인했다. 이 후보군을 대상으로 층간 결합이 약한 반데르발스 특성을 보이는 소재를 추려내고, 밀도범함수이론(DFT) 계산으로 결합 특성을 검증했다. 최종 후보 소재들을 실제 합성한 뒤 기계적 박리 공정으로 원자 두께의 단일층 시편을 제작했으며, 나노-ARPES(각도분해광전자분광)를 이용해 전자 상태를 면밀히 측정했다.

단일층에서의 평탄밴드 확인

나노-ARPES 측정 결과, 제작된 단층 시편의 페르미 준위 근방에서 명확한 평탄밴드 전자 상태가 포착됐다. 연구팀이 특히 강조하는 것은 전자밀도 수치다. 이 2D 카고메 시스템의 평탄밴드 전자밀도는 약 1 nm⁻²로, 트위스트 이중층 그래핀 등 모아레 초격자 기반 시스템(약 0.01 nm⁻²)보다 100배 이상 높다. 모아레 시스템은 인위적으로 큰 초격자를 만들어야 평탄밴드를 얻지만, 이 소재는 격자 기하학 자체에서 평탄밴드가 자발적으로 발생하기 때문이다. 또한 전기적 게이트 조절을 통해 평탄밴드의 채움 상태를 연속적으로 바꿀 수 있음도 확인됐다.

분수 양자 이상 홀 효과 예측 및 의미

다체계산 결과, 이 2D 카고메 격자에서 분수 양자 이상 홀 효과(FQAHE)가 1429 meV 에너지 척도에서 출현할 수 있다고 예측됐다. 기존 모아레 초격자 플랫폼의 예측값(15 meV)과 비교하면 약 한 자릿수 높은 온도·에너지 조건이다. 이는 실험적으로 접근 가능한 온도 범위가 크게 넓어질 수 있음을 시사한다. 연구팀은 앞으로 비정상 초전도, 자성, 분수 위상 상태 등 강상관 전자 현상을 2D 카고메 구조에서 탐색하고, 반데르발스 이종 구조 및 모아레 카고메 초구조 제작으로도 연구를 확장할 계획이다.

한계와 과제

현재 단계에서는 계산 예측과 전자 구조 측정에 집중돼 있으며, FQAHE나 비정상 초전도의 직접 관측은 아직 이뤄지지 않았다. 소재 합성과 박리 과정에서 발생할 수 있는 결함, 게이트 소자 제작 시의 계면 문제, 그리고 예측 에너지 척도를 실제로 구현하기 위한 저온 장치 개발이 향후 과제로 남아 있다.