[박한결 박사/오준혁 학생/양범정 교수/장준호 교수] 모아레 구조 재편이 일어난 나선형 삼중층 그래핀의 비전형적 전하 채움 이력 현상 발견 (Advanced Science 논문 게재)
Unconventional hysteretic charge filling in moiré-reconstructed helical trilayer graphene
반데르발스 이종구조(van der Waals heterostructures) 내의 모아레 초격자(moiré superlattice)는 전자 에너지 띠 구조와 창발적인 상(emergent phases)을 제어하는 강력한 수단이다. 이러한 방법론을 다중 모아레(multi-moiré) 구조로 확장하면 계층적으로 중첩된 패턴이 복잡하고 다채로운 전자 지형(electronic landscape)을 형성하여 새로운 양자 상태의 발견을 가능하게 한다. 나아가, 층간 상호작용과 격자 변형(lattice strain) 간의 경쟁은 구조적 재구성을 유도하여, 비주기적인 경계(aperiodic boundaries)로 구분되는 주기적인 구역(periodic domains)들을 형성할 수 있다.
본 연구에서는 순차적인 비틀림 각도를 통해 복잡한 '모아레의 모아레(moiré-of-moiré)' 환경이 형성된 나선형 삼중층 그래핀에서 관찰되는 특이 전하 채움 이력 현상(anomalous hysteretic charge filling)을 보고한다. 전하 수송 측정 결과는 두 가지의 뚜렷한 전자적 특성을 보여준다. 하나는 주기적인 구역에서 형성된 모아레 유도 미니밴드(miniband)이며, 다른 하나는 비주기적인 경계 영역에서 기인한 뚜렷한 저항 이력 신호이다.
이러한 관찰 결과는 비정합 상태(incommensurate regime)에서 전체적인 주기성(global periodicity)이 상실됨에 따라 발생하는 전자의 부분적 국재화(partial electron localization) 관점에서 해석될 수 있다. 본 연구는 공간적으로 불균일한 퍼텐셜(inhomogeneous potential)이 어떻게 전자 상태를 재편하는지에 대한 깊은 통찰을 제공하며, 비주기적인 격자 환경에서 양자 상(quantum phases)을 제어할 수 있는 새로운 방향성을 제시한다.
Moiré superlattices in van der Waals heterostructures are powerful tuning knobs for engineering electronic band structures and emergent phases. Expanding this framework to multi-moiré architectures enables discovery of novel quantum states, as hierarchically superposed patterns generate a versatile and sophisticated electronic landscape. Moreover, competition between interlayer interactions and lattice strain can drive structural reconfigurations forming periodic domains delineated by aperiodic boundaries.
Here, anomalous hysteretic charge filling is observed in helical trilayer graphene, where sequential twist angles create a complex moiré-of-moiré environment. Transport measurements reveal dual electronic signatures: moiré-induced minibands in periodic domains, and a distinct hysteretic resistance signal from the aperiodic boundaries.
These observations can be interpreted within the framework of partial electron localization driven by the loss of global periodicity in the incommensurate regime. This work provides insights into how spatially inhomogeneous potentials reshape electronic states and establishes a pathway for controlling quantum phases in non-periodic lattice environments.
Authors: Hangyeol Park†, Junhyeok Oh†, Rasoul Ghadimi, Chiranjit Mondal, Yungi Jeong, Won Beom Choi, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Bohm-Jung Yang* and Joonho Jang*
(†These authors contributed equally to this work.)
(*co-corresponding authors)
(†These authors contributed equally to this work.)
(*co-corresponding authors)
DOI: https://doi.org/10.1002/advs.75919
Published online: June 1, 2026