비틀기 : 곡면을 사용하여 2 차원 양자 물질 만들기

위스콘신 대학 매디슨교의 과학자들은 1 원자분의 두께 밖에 안 되는 물질의 뒤틀린 현미경적 나선의 성장을 제어하는 방법을 발견했습니다. 매디슨 화학 손진 교수팀이 만들어낸 2차원 물질의 연속적인 비틀림 스택은 과학자들이 나노스케일로 양자물리학을 연구하기 위해 이용할 수 있는 새로운 특성을 만들어내고 있습니다. 연구자들은 오늘 사이언스지에 연구 성과를 발표 했습니다. 이것은 현재의 2차원 재료 연구의 프런티어입니다. 지난 몇 년간 과학자들은 원자층 사이에 작은 꼬임을 만들면 매우 흥미로운 물리적 성질을 가진다는 것을 깨달았습니다. 예를 들어, 기존과는 다른 초전도성입니다. 비틀린 재료는 저온에서 전기 저항을 완전히 잃는 것입니다. "연구자들은 이러한 2차원 양자 재료를 검토하여 그러한 연구를 뒤틀기라고 부릅니다. 이 연구의 첫 저자인 대학원생 조주씨는 비틀림 2차원 구조를 만들기 위한 표준적인 방법은 두 장의 얇은 재료를 기계적으로 쌓아올려 그들 사이의 비틀림 각도를 조심스럽게 손으로 조절하는 것이었다고 말합니다. 그러나 연구자가 이들 2차원 물질을 직접 배양할 경우 층간 상호작용이 매우 약하기 때문에 뒤틀림각을 제어할 수 없습니다. 카드를 비틀어 쌓아가는 모습을 상상해보세요. 손재주가 좋으면 카드를 비틀 수 있지만 우리의 과제는 원자층을 나노스케일로 어떻게 스스로 제어할 수 있도록 비틀어 구부리느냐입니다. 진 교수팀은 유클리드 기하학의 평탄한 공간 밖에서 생각함으로써 이들 뒤틀린 나노스케일 구조의 성장을 제어하는 방법을 찾아냈다. 유클리드 기하학은 우리가 잘 알고 있는 세계의 수학적 기초를 형성하고 있습니다. 평면, 직선, 직각으로 세계를 생각할 수 있습니다. 반면 비유클리드 기하학에서는 직선이 만곡 되어 정사각형 각의 합이 360도가 아닌 곡선 공간이 기술 됩니다. 아인슈타인의 일반 상대성 이론처럼 시공 연속체를 설명하는 과학 이론은 비유클리드 기하학에 기반을 두고 있습니다. 유클리드 기하학 이외의 결정 구조를 감안할 때 흥미로운 새로운 가능성이 열린다고 그는 말합니다. 조 씨와 진 씨는 나사 전위라고 불리는 결정 성장의 불완전함을 이용해 뒤틀려 나선을 만들었습니다. 그는 오랫동안 이런 전위에 따른 결정성장을 연구하면서 예를 들어 나노와이어 나무의 성장에 대해 설명해 왔습니다. 2차원 재료에서 전위는 스택전체에 걸쳐 모든 층이 접속된 주차램프처럼 나선형으로 회전하고 모든 층의 방향을 맞춤으로써 구조물의 다음 층을 위한 스텝업을 제공합니다. 그리고 비유클리드 스파이럴 구조를 성장시키고 스파이럴을 비틀기 위해 진 씨 팀은 스파이럴이 성장한 기반을 바꿨습니다. 조 씨는 평면상에서 결정을 성장시키는 대신 산화규소 입자 같은 나노입자를 나선의 중심 아래 두었습니다. 성장 과정 동안 입자는 평탄한 표면을 파괴 하고 2차원 결정이 성장하기 위한 굽은 기반을 형성합니다. 연구팀이 발견한 것은 각층 끝이 앞 층과 평행한 위치에 있는 정렬스파이럴 대신 2차원 결정이 연속적으로 뒤틀리면서 다층스파이럴을 형성해 한 층에서 다음 층으로 뒤틀린다는 것입니다. 층간 트위스트의 각도는 평면(유클리드)의 2D 결정과 이들이 성장하는 곡면(유클리드 이외) 사이의 미스매치에 의해 발생합니다. 조 교수는 나선 구조가 나노입자 바로 위에 나면서 원뿔 모양의 토대를 만드는 패턴을 고정 나선이라고 부릅니다. 그 구조물이 산허리에 세워진 집처럼 중심에서 벗어난 나노 입자 위로 성장하면 '고정되지 않은 스파이럴' 패턴이 됩니다. 곡면의 기하학적 형상에서 나선의 꼬임각을 예측하는 단순한 수학적 모델을 개발 했고, 그 모델이 된 나선형상은 성장한 구조와 잘 어울립니다. 첫 발견 후 매디슨의 폴 보일스 교수와 그의 제자인 찬 교수는 뒤틀린 나선 속의 원자 배열을 확인하기 위해 전자현미경으로 나선을 연구했습니다. 그들의 화상은 인접하는 비틀린 층의 원자가 모아레 패턴으로 불리는 기대되는 서로 겹치는 간섭 패턴을 형성하고 있는 것을 나타내고 있으며, 그것은 비단이 세세한 층의 의복에도 광택과 잔물결을 주고 있습니다. 존 라이트 명예화학 교수와 그의 연구실은 뒤틀린 나선의 비정상적인 광학 특성 가능성을 시사하는 예비연구를 했습니다. 연구자들은 비틀림 스파이럴 층으로 전이금속인 지칼코게니드를 사용하였으나 그 개념은 2차원 재료인 한 특정 재료에 의존하지 않습니다.