[박경덕 교수] 강한 엑시톤 구속에 의해 유도된 층간 엑시톤 흐름 증폭 현상 최초 발견

강한 엑시톤 구속에 의해 유도된 층간 엑시톤 흐름 증폭 현상 최초 발견 현재 반도체는 전자의 흐름을 이용해 정보를 전달한다. 하지만 전자가 이동할수록 필연적으로 열이 발생하고, 이는 곧 에너지 손실과 성능 저하로 이어진다. 실제로 AI 데이터센터는 도시 하나에 맞먹는 전력을 소비할 정도로 에너지 문제가 심각해지고 있다. 이러한 한계를 극복할 대안으로 주목받는 것이 바로 ‘엑시톤’이다. 엑시톤은 반도체 내부에서 빛과 전자의 성질이 결합된 입자로, 전기적으로 중성이기 때문에 이동 과정에서 열 발생이 거의 없다. 이 때문에 차세대 초저전력 정보 전달 매개체로 주목받고 있다. 그러나 지금까지는 엑시톤을 원하는 방식으로 정밀하게 제어하는 것이 매우 어려워 실제 소자 응용에 큰 제약이 있었다. 박경덕 교수 연구팀은 이를 해결하기 위해, 빛과 전기를 나노미터 수준에서 자유롭게 다룰 수 있는 새로운 방식의 나노 공진 분광 기술을 개발했다. 이 기술을 이용하면 빛과 전기장이 최첨단 반도체 공정의 최소 선폭 정도의 초미세 공간에 모이면서, 반도체 내부의 ‘에너지 지형’을 나노 공간에서 정밀하게 제어하고 동시에 관측할 수 있다. 연구팀의 이형우 박사는 이 방법을 통해 특정 영역에 엑시톤을 집중시켰고, 그 과정에서 기존 이론과는 다른 흥미로운 현상을 발견했다. 좁은 공간에 모인 엑시톤들이 서로 밀어내며, 오히려 더 빠르고 강하게 바깥으로 퍼져나간 것이다. 연구팀은 이 현상이 단순히 엑시톤의 개수가 많아서가 아니라, 엑시톤이 얼마나 가파르게 몰려 있는지를 나타내는 ‘밀도 기울기’에 의해 결정된다는 사실을 밝혀냈다. 이를 통해 기존 방식 대비 최대 8,300%에 달하는 엑시톤 확산 증폭 효과를 입증했다. 또한 이 현상은 전압만으로 실시간 제어가 가능했다. 스위치를 켜고 끄듯, 전압을 조절하는 것만으로 엑시톤의 이동 방향과 세기를 자유롭게 바꿀 수 있어, 향후 반도체 칩 내부에서 정보를 빠르고 효율적으로 전달하는 기술로 이어질 가능성이 크다. 이는 기존 전자 기반 회로를 넘어, 빛과 입자의 특성을 동시에 활용하는 새로운 형태의 ‘엑시톤 회로’ 구현 가능성을 보여준다는 점에서 의미가 크다. 이번 연구는 차세대 반도체뿐만 아니라 다양한 산업 분야로의 확장 가능성도 제시한다. AI 데이터센터의 초저전력 인터커넥트, 고효율 광전자 소자, 차세대 태양전지 등에서 엑시톤 흐름을 정밀하게 제어하는 기술은 핵심적인 역할을 할 것으로 기대된다. 특히 에너지 효율이 중요한 미래 산업에서 새로운 설계 패러다임을 제공할 것으로 전망된다. 이번 성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단, 그리고 삼성미래기술육성재단의 지속적인 기초연구 지원을 통해 수행됐다. 단기적 성과에 집중하기보다 장기적 관점에서 나노광학 및 양자물성 연구를 꾸준히 지원한 결과, 세계적 수준의 원천기술 확보로 이어졌다는 점에서 의미가 크다. 연구를 진행한 이형우 박사와 문태영 씨는 “이번 연구는 나노미터 공간에서 엑시톤의 이동을 직접 생성하고 관측한 첫 사례로, 기존에는 알 수 없었던 새로운 이동 메커니즘을 확인했다”며 “엑시톤 기반 소자 설계의 핵심 원리를 제시했다는 점에서 의미가 크다”고 설명했다. 박경덕 교수는 “이번 성과는 기초 물리 연구를 통해 차세대 반도체 기술의 가능성을 구체적으로 보여준 사례”라며 “기초과학에 대한 장기적인 투자와 신뢰가 있었기에 가능했으며, 향후 저전력 AI 반도체와 신개념 광소자 융합 기술로 확장될 수 있을 것”이라고 밝혔다. 이번 연구는 국제학술지 ‘네이처 머티리얼즈(Nature Materials)’에 현지 기준으로 지난 3월 31일 게재됐다.

[김범준 교수] 양자 얽힘 금속 내 맞물린 질서 Intertwined orders in a quantum-entangled metal

양자 얽힘 금속 내 맞물린 질서 Intertwined orders in a quantum-entangled metal POSTECH(포항공과대학교) 물리학과 김범준 교수팀은 KAIST(한국과학기술원) 물리학과 조길영 교수, 서울대학교 김범현 박사와의 공동연구를 통해 강상관계 물질 내 파동함수의 양자 얽힘 상태를 세계 최초로 규명하는 성과를 거두었다. 양자 얽힘은 양자 컴퓨팅, 양자 암호학 등 차세대 양자 기술의 뿌리가 되는 핵심적인 물리 현상으로, 두 개 이상의 입자들이 개별적인 파동함수가 아닌 통합된 하나의 파동함수로만 완전하게 설명되는 상태를 말한다. 이러한 양자역학적 상관관계는 미시 세계뿐만 아니라, 무수히 많은 전자가 모인 고체 물질의 거시적 특성에도 결정적인 역할을 한다. 실제로 상전이 현상, 복잡한 구조의 자성체, 그리고 초전도체에 이르기까지, 양자 얽힘은 물질의 다양한 물리적 성질을 설명하는 근본 원리로 작용한다. 그러나 기존의 물성 측정 방법들은 다수의 전자들이 만들어내는 거시적 평균값이나 간접적인 응답신호를 읽어내는 데 의존했기 때문에, 전자들이 정확히 어떤 모양으로 얽혀 있는지를 명확히 분별할 수 없다는 근본적인 한계가 따랐다. 연구진은 공명 비탄성 X-선 산란 (RIXS) 실험을 통해 이리듐 산화물 (Nd2Ir2O7) 내 전자들의 양자 얽힘이 만들어내는 미세한 간섭 신호를 포착하고, 이를 이론적으로 분석하여 얽힘의 형태를 수학적으로 규명했다. 특히 이번 연구는 기존 실험법으로 직접 관측하기 매우 까다로운 ‘스핀 사극자’ 질서를 전자 파동함수의 얽힘 구조 분석을 이용한 새로운 접근법을 통해 실증했다는 점에서 학술적 의의가 크다. 연구진은 통상적으로 활용되는 X-선 회절(탄성 산란)에서 X-선 간섭으로 고체 내 원자의 위치를 분석하는 점에 착안하여, 에너지를 잃고 산란되는 비탄성 산란 신호에도 전자 파동 함수의 공간적 위상 정보가 보존되어 간섭 현상이 발생함을 예측하였다. 연구진은 이 원리를 이용하여 원자 격자 구조와는 다른 위상을 갖는 신호를 분리해냄으로써 전자들의 중첩 상태인 양자 얽힘의 구조를 직접적으로 관측해냈다. 이는 최첨단 X-선 분광 실험과 고난도 다체 이론 분석이 결합 되어 이루어낸 성과다. 연구진은 포항가속기연구소에 자체 개발하여 구축한 공명 비탄성 X-선 분광기를 활용하여 결정적인 데이터를 확보하였으며, 데이터의 신뢰성 검증을 위해 미국 아르곤 국립연구소 (Advanced Photon Source) 및 유럽 방사광 가속기(European Synchrotron Radiation Facility)와 긴밀한 국제 공동 연구를 수행하였다. 또한, 카이스트 조길영 교수 연구팀 및 서울대학교 김범현 박사와의 이론 협업를 통해, 관측된 산란 패턴으로부터 미시적인 얽힘 상태를 기술하는 정교한 수학적 모델을 확립했다. 그 결과, 연구진이 포착한 양자 얽힘 패턴이 기존의 통상적인 자기 쌍극자 구조와 다른, 이웃한 전자의 스핀들이 상호작용하여 형성된 '스핀 사극자' 구조임을 실험적으로 입증해 냈다. 본 연구는 단순히 새로운 물질 상을 발견한 것을 너머, 양자 얽힘 파동함수를 정밀 측정함으로써 고체 내 숨겨진 양자 질서를 찾아낼 수 있다는 새로운 방법론을 제시한 중요한 사례이다. 교신 저자인 김범준 교수는 “이번 연구는 이론적으만 논의되던 고체 속 양자 얽힘의 실체적 구조를 실험적으로 규명해 냈다는 데 가장 큰 의의가 있다”며, “이는 강상관계 물질의 근본적인 양자 성질을 이해하는 결정적인 단초를 제공함과 동시에, 그동안 기존 측정법으로는 탐지할 수 없었던 숨겨져 있던 양자 질서를 발굴해 내는 새로운 분광학적 방법론을 확립한 것”이라고 연구의 중요성을 강조했다. 이번 연구는 물리학계 권위 학술지 네이처 머티어리얼스 (Nature Materials, IF 38.5)에 1월 27일 온라인 게재되었다. 이리듐 산화물에서 포착된 양자 얽힘의 간섭 신호와 스핀 사극자 질서. 왼쪽부터 공명 비탄성 X-선 산란(RIXS) 간섭 실험의 원리, 실제 관측된 신호와 이론적 계산의 일치 결과, 그리고 이를 통해 규명된 스핀 사극자 질서의 모식도이다. 연구진은 정사면체 격자 구조내에서 비탄성 산란된 X-선이 운동량 공간에서 형상하는 독특한 주기적 간섭 패턴(가운데)을 정밀 분석함으로써, 물질 내부의 전자들이 기존에 알려지지 않았던 ‘스핀 사극자’ 형태의 질서를 이루고 있음을 결정적으로 입증했다. Nature Materials (2025) Junyoung Kwon, Jaehwon Kim, Gwansuk Oh, Seyoung Jin, Kwangrae Kim, Hoon Kim, Seunghyeok Ha, Hyun-Woo J. Kim, GiBaik Sim, Björn Wehinger, Gaston Garbarino, Nour Maraytta, Michael Merz, Matthieu Le Tacon, Christoph J. Sahle, Alessandro Longo, Jungho Kim, Ara Go, Gil Young Cho, Beom Hyun Kim & B. J. Kim

[손민주 교수] Tau condensation on DNA mediates microtubule attachment suggesting a mitotic role for centromere-localized tau

Tau condensation on DNA mediates microtubule attachment suggesting a mitotic role for centromere-localized tau POSTECH 손민주 교수(물리학과)와 황동수 교수(환경공학과) 공동 연구팀은 알츠하이머병과 연관된 타우(Tau) 단백질이 DNA와 결합해 국소적 응축체를 형성한다는 사실을 발견하고, 타우가 세포분열 초기 단계에서 미세소관–염색체 결합을 돕는 새로운 역할을 할 수 있음을 제시했다. 　 타우는 그동안 미세소관 안정화 단백질로 주로 알려져 왔으며, DNA와의 직접 상호작용 및 기능적 의미는 거의 밝혀지지 않았다. 연구팀은 단분자 실험으로 타우의 DNA 결합 이후 응축체 형성 과정을 실시간으로 관찰하고, 이때 수 pN 수준의 힘이 발생함을 규명했다. 이어 타우–DNA 응축체가 미세소관을 포획·부착시키는 플랫폼으로 작동할 수 있음을 확인했으며, 실제 세포 이미징에서도 분열기 염색체 동원체(centromere) 주변의 타우 클러스터를 근거로 타우의 미세소관–염색체 결합 초기 단계 관여 가능성을 제시했다. 이번 연구는 타우를 ‘신경퇴행 질환 단백질’로만 보던 관점을 넘어 세포분열·염색체 안정성과의 연결 가능성을 시사한 데 의미가 있다. 이번 연구 결과는 국제학술지 Nature Communications에 온라인 게재되었다. 관련 링크 : https://doi.org/10.1038/s41467-025-67888-x