[표지로 읽는 과학]나노 안테나로 그래핀 초전도성의 비밀 캔다

네이처 2월 18일자

네이처 제공

국제학술지 네이처는 이달 18일 끝이 뾰족한 ‘나노 안테나’로 그래핀 속 탄소 원자들의 진동을 관찰하는 그림을 표지에 실었다. 탄소 원자가 진동하는 방식에 따라 바뀌는 그래핀의 전기적 특성을 정밀하게 분석할 수 있어 최근 활발히 연구되고 있는 그래핀의 초전도성 연구에 활기를 불어넣을 것으로 기대된다. 

지난 2018년 파블로 자릴로헤레로 미국 매사추세츠공대(MIT) 물리학과 교수팀은 그래핀 2개를 1.1도 비틀어 겹쳐 만든 ‘그래핀 샌드위치’에서 초전도성이 나타난다는 연구를 네이처에 발표했다. 이후 그래핀을 초전도체로 만드는 연구가 각광 받기 시작했고 그래핀뿐 아니라 2차원 격자 구조를 여러 방법으로 겹쳐 나타나는 성질을 연구하는 ‘트위스트로닉스(Twistronics)’ 분야도 생겨났다.

탄소 원자가 진동하면 전하를 띈 전자가 움직이기 때문에 그래핀의 전기적 성질은 탄소 원자의 진동에 따라 결정된다. 그런데 그래핀은 탄소 원자가 그물처럼 연결된 2차원 구조여서 탄소 원자 1개가 진동하면 다른 탄소 원자의 진동에도 영향을 준다. 역시 두 그래핀을 겹치면 탄소 원자들의 전기적 상호작용으로 진동 방식이 달라지는데 겹치는 각도를 바꾸면 탄소 원자들 사이의 거리가 바뀌므로 전체적인 전기적 성질도 덩달아 바뀐다. 그래핀의 초전도성을 연구하려면 탄소 원자의 진동을 측정하는 기술이 필요하다.

아도 조리오 브라질 미나스제라이스연방대 물리학과 교수팀은 원자에 빛을 쪼였을 때 산란되 나오는 빛 에너지와 원래 빛 에너지의 차이를 이용해 원자의 진동을 측정하는 라만 분광법을 탄소 원자를 관찰하는 데 적용했다. 라만 분광법은 원자에 빛을 쏘이면 빛 에너지 일부는 원자를 진동시키는 데 쓰이고 나머지 빛은 산란되는데 원래 빛 에너지와 산란된 빛 에너지 차이를 측정해 원자의 진동을 예측하는 방법이다. 

연구팀은 그래핀에 가시광선을 쏘인 후 직경이 10nm 크기의 영역에서 빛 에너지 변화를 측정할 수 있는 나노 안테나를 만들었다. 원자에 X선을 쏘이는 X선 분광법은 측정에 사용되는 빛 에너지가 너무 커 원자의 진동을 정확하게 측정할 수 없지만 나노 안테나는 비교적 에너지가 낮은 가시광선을 이용하기 때문에 탄소 원자들의 진동을 보다 정밀하게 관측할 수 있음을 확인했다.

조리오 교수는 "기존에는 탄소 원자의 진동 1μm(마이크로미터·1μm는 100만 분의 1m) 크기의 영역에서 관찰할 수 있었다면 나노 안테나는 그것보다 1000분의 1 크기의 영역에서 측정할 수 있다"며 "나노 안테나는 화학, 생물학, 물리학, 공학, 의학 분야에서 활용할 수 있어 잠재력이 무한하다"고 말했다.

[김우현 기자 mnchoo@donga.com]