Cornell 연구진, 6층 마름모형 그래핀에서 초전도·다강성 궤도 자성 동시 발견

계획 밖에서 얻어진 6층 구조

연구진의 원래 목표는 위상학적 띠를 고립시키기 위한 뒤틀린(twisted) 마름모형 그래핀 연구였다. 그런데 3층 그래핀 두 장을 쌓은 소자에서 층들이 자발적으로 정렬되면서 마름모형 6층 그래핀이 형성됐다. 이후 초기 측정 결과가 5층 그래핀 선행 연구에서 보고된 것과 다른 거동을 나타내자, 연구진은 6층 구조의 위상 도형 전체를 체계적으로 탐색하기로 방향을 바꿨다. 최종 소자는 6층 그래핀 스택을 육방정계 질화붕소(h-BN) 절연층 사이에 삽입하고, 위아래에 흑연 게이트를 배치해 전하 밀도와 수직 전기장을 독립적으로 제어할 수 있게 구성됐다.

전자와 정공이 공존하는 반금속 영역

연구진이 가장 주목한 특성은 전도대와 가전자대가 페르미 에너지에서 동시에 교차하는 강상관 반금속(semimetallic) 영역이다. 이 조건에서 전자와 정공이 한 공간에 공존하며 강하게 상호작용한다. 이는 5층 그래핀 연구에서 보고된 바 없는 현상이었다. 연구진은 온도·자기장·전하 밀도를 변화시키며 전기 저항을 측정했고, 수직 전기장을 달리해 그래핀 층 방향으로 전류 흐름도 함께 관측했다.

초전도·궤도 자성·절연 상태가 공존하는 위상 도형

측정 결과 위상 도형에는 상호작용 구동 절연 상태, 복수의 초전도 영역, 두 종류의 궤도 자성 영역이 나타났다. 전기 저항이 소멸되는 구간은 초전도를 나타냈고, 이상 홀 응답은 전자의 궤도 운동에서 비롯된 궤도 자성의 증거로 해석됐다. 자기장에 따른 저항 진동인 양자 진동 측정을 통해서는 페르미 면 형태와 전하 운반체의 종류를 역추적했다. 특히 두 가지 초전도 유사 상태는 전자-정공 공존 조건 아래에서만 출현해, 두 종류 운반체 모두가 초전도 형성에 관여함을 시사한다. 강유전성과 자성을 동시에 갖는 다강성(multiferroic) 궤도 자석 상태도 이 반금속 영역에서 함께 발견됐다.

열린 질문과 후속 연구 방향

현재 연구진은 다강성 궤도 자성 상태의 미시적 기원을 규명하는 작업을 진행 중이다. 검토 중인 시나리오 중 하나는 일부 운반체가 전자 결정(electron crystal)을 형성하고 나머지는 액체 상태로 머무는 혼합 위상이다. 이 전자 결정이 위상학적 고체(topological solid)로 실현될 수 있는지도 열린 질문으로 남아 있다. 다만 이러한 가능성은 현재 논문에서 확립된 결론이 아니라 진행 중인 가설이며, 추가적인 실험적 증거 확보가 필요하다. 이번 연구는 전기장으로 제어 가능한 양자 물질 플랫폼으로서 6층 마름모형 그래핀의 잠재력을 보여 준다.