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그래핀을 초전도체로 만드는 '마법각도' 찾았다

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2018년 03월 06일 01:00 프린트하기

‘가볍다. 유연하다. 철보다 단단하다.’

 

여러 물질의 개별적 특징을 나열한 것처럼 보이지만 이는 모두 2004년 발견된 벌집 모양의 육각형 나노 탄소구조, 이른바 그래핀(Graphene)의 특징이다. 다양한 이점을 가진 그래핀은 꿈의 나노물질이라는 별칭을 얻기도 했다.

 

최근 그래핀의 전기적 특성을 새롭게 밝힌 연구가 나왔다. 각도를 약간 조정해 그래핀을 두 겹으로 쌓으면 저항없이 전기를 전달하는 초전도체의 성질을 갖게 만들 수 있다는 것이다.

 

 

두개의 그래핀을 1.1도 기울여 겹치면 초전도체의 특성을 갖게 된다-Massachusetts Institute of Technology
그래핀 두 겹을 1.1도 기울여 쌓으면 초전도체의 특성을 갖게 된다-Massachusetts Institute of Technology
 

미국 매사추세츠공과대(MIT) 물리학과 파블로 자릴로헤레로 교수팀은 두 개의 그래핀을 1.1도 비틀어 쌓으면 초전도체의 특징을 갖게 된다는 것을 발견해 5일(현지시각) 학술지 ‘네이처’에 발표했다.

 

도체는 온도를 높이면 전기저항 역시 증가해 전기가 잘 흐르지 않고, 온도를 낮추면 저항이 작아져 전기가 잘 통하게 된다. 특히 온도를 영하 273도에 가까운 극저온으로 낮출 때 전기저항이 0에 가까워지는 초전도 현상이 나타나며, 이런 특징을 갖는 물질을 초전도체라 부른다. 일반적으로 금속 또는 합금을 이용해 구현했던 초전도체를 그래핀으로 생성하는 새로운 방법을 이번에 개발된 것이다.

 

연구팀은 두 개의 그래핀을 기울이는 각도를 0~3도까지 달리해 겹쳐본 뒤 특성을 측정하는 실험을 반복했고 1.1도를 기울였을 때 완전한 초전도체의 특성을 띤다는 것을 확인했다. 이 각도를 ‘마법각도(magic angle)’라 이름 붙였다.

 

그래핀 두 겹을 마법 각도로 조정해 겹쳤을 때, 대칭성이 달라져 두 층 사이에 있는 탄소원자 속 전자들의 전위차가 수 전자볼트(eV)에서 수백 밀리전자볼트(meV) 이하 수준으로 떨어지게 되고, 그 결과 그래핀 속 전자들이 한쪽으로 합쳐져 외부에서 들어온 전자들이 초전도체를 지날 때처럼 방해받지 않고 통과하게 된다고 분석했다.

 

자릴로헤레로 교수는 “그래핀이 에너지 낭비없이 전기를 전달하는 초전도체 역할을 할 수 있는 것”이라며 “한정된 자원인 금속이나 합금보다 초전도체 생산에 적합할 것”이라고 말했다.

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