준결정(quasicrystal)은 노벨 화학상 수상자인 Dan Shechtman 박사에 의해서 1980년대에 처음 실험으로 관측된 특이한 고체의 상태이다. 일반적인 고체의 경우, 구성 원소들이 격자(lattice)구조라고 하는 일정한 주기성을 가지며 배열되어 있고, 이 경우에는 병진대칭성(translational symmetry)과 회전대칭성(rotational symmetry)을 모두 가지게 되는 반면, 준결정의 경우에는 회전대칭성 만을 가지는 특이한 구조를 지니게 된다. 또한 준결정은 자기복제성(self-similarity)을 가지는 프랙탈(fractal) 구조를 따르게 된다. 이처럼 준결정은 일반적인 고체결정과 다른 특성을 지니며, 이와 관련된 수많은 실험적, 이론적인 연구들이 활발히 진행되어 왔다.

또한, 두 층의 그래핀 사이에서의 상호작용에 관한 많은 이론적 실험적 연구들이 있어왔지만, 최근까지도 Mott insulator나, 초전도 현상과 같은 특이한 물리적인 현상들이 계속 학계에 보고되고 있다. 이런 연구 동향에 발맞춰 두 층의 그래핀을 이용한 2차원 준결정에 관한 연구를 최근에 발표하게 되었다.

본 연구에서는 두 층의 그래핀을 각각 박리하여 포개는 방법 대신, 서로 30도의 회전 각도를 가지는 두 층의 그래핀을 에피택셜(epitaxial)한 방법으로 성장시킴으로써 2차원 그래핀 준결정을 합성할 수 있었고, 이를 통해 디랙 전자(Dirac electron)구조를 가지는 특수한 준결정을 최초로 발견하게 되었다. 합성된 그래핀 준결정은 아래의 그림 에서와 같이 일반적인 결정구조에서는 볼 수 없는 30도 회전대칭성(12-fold symmetry)과 프랙탈(fractal) 구조를 지니는 것을 확인하였다. 이러한 2차원 준결정은 4차원 양자 홀 효과 (4-Dimensional Quantum Hall Effect)로 대표되는 4차원 공간의 물리학을 관측할 수 있는 창의 역할을 하게 될 것으로 기대된다.

이 연구는 2018년 8월 24일자로 Science지에 게재되었고, 표지논문으로 선정된 바 있다.
논문명 : Dirac electrons in a dodecagonal graphene quasicrystal