Kyoung-Duck Park Science Advances (2026)

[박경덕 교수] 빛을 가두니 성능이 130배 증가… 상온에서도 밝게 빛나는 양자광원 구현

빛을 가두니 성능이 130배 증가… 상온에서도 밝게 빛나는 양자광원 구현 - 양자통신·양자컴퓨팅 핵심, 고효율 양자광원 집적화 기술 한 단계 도약 - 열처리를 통한 전하 중성화로 갇힌 엑시톤의 고효율 발광을 구현하는메커니즘. 열처리 전에는 물 분자층이 유전체 장벽으로 작용해 잉여 전자가 잔류하며, 트라이온(X-) 형성 등 비발광 경로가 지배적이다. 열처리 후에는 물 분자층 제거로 자유 전자가 금 기판으로 빠져나가 전하가 중성화되고, 나노홀 중심으로 수렴된 갇힌 엑시톤(XL)의 고효율 발광이 실현된다. POSTECH 물리학과·반도체공학과·융합대학원·반도체대학원 박경덕 교수와 기초과학연구원(IBS) 다차원탄소재료연구단 서영덕 부연구단장(UNIST 화학과 교수) 공동 연구팀은 상온에서도 밝게 빛나는 고효율 양자광원을 구현하는 데 성공했다. 이번 성과는 그동안 극저온 환경이나 복잡한 전기장치가 필요했던 2차원 반도체의 발광 한계를 넘어선 것으로, 빛을 극도로 작은 점에 가두는 양자구속효과를 이용해 대면적에서도 양자광원을 구현할 수 있는 가능성을 제시했다. 특히 실제 반도체 웨이퍼 공정과의 호환성을 확보함으로써, 양자광원 집적 기술로 확장될 수 있는 길을 열었다. 이에 따라 양자통신과 양자컴퓨팅, 차세대 나노 LED 등 다양한 분야로의 활용이 기대된다. 물질 내부에서 빛을 만들어내는 입자인 엑시톤은 2차원 반도체가 LED처럼 빛을 내게 하는 핵심 역할을 한다. 2차원 반도체는 이 엑시톤을 이용하면 매우 얇고 효율적인 광소자를 만들 수 있다는 장점이 있지만, 상온에서는 오히려 이 입자가 쉽게 퍼져버리는 특성 때문에 특정 위치에서 밝게 빛을 내기 어려웠다. 최근에는 엑시톤을 특정 위치에 묶어둘 수 있는 ‘갇힌 엑시톤’이 주목받고 있다. 이는 마치 공이 넓은 바닥에서는 자유롭게 굴러다니지만, 움푹한 그릇 안에서는 한곳에 머무는 것처럼, 엑시톤을 한 점에 묶어둘 수 있어 안정적인 발광이 가능하다는 장점이 있다. 또한 방출되는 빛의 색(파장)도 정밀하게 조절할 수 있어 이상적인 양자광원으로 평가된다. 하지만 상온에서는 상황이 달라진다. 열에너지가 커지면 그릇에 담겨 있던 공이 튀어나오듯, 엑시톤이 쉽게 퍼져나가고, 동시에 재료 내부에 남아 있는 전하들이 엑시톤과 결합하거나 에너지를 빼앗아 빛 대신 열로 소모되게 만든다. 이로 인해 발광 효율은 1% 이하로 크게 떨어지는 한계가 있었다. 이를 해결하기 위해 기존에는 복잡한 전기 구조로 전하를 정밀하게 제어하거나, 엑시톤의 움직임을 억제하기 위해 극저온 환경을 사용하는 방법이 필요했다. 그러나 이러한 방식은 장치가 복잡하고 비용이 높아 실제 기술로 적용하는 데 어려움이 있었다. 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 2차원 반도체 아래에 지름 500나노미터 크기의 나노홀 구조를 만들었다. 이 구조는 마치 움푹 파인 그릇처럼 작용해, 엑시톤이 자연스럽게 중심으로 모여 한 점에 머물도록 만든다. 시뮬레이션 결과, 나노홀 영역의 약 98%에서 엑시톤이 중심에 모여 ‘갇힌 엑시톤’ 상태를 형성하는 것을 확인했다. 그 결과, 상온에서도 발광 효율이 약 130배 향상되었으며, 기존보다 훨씬 밝은 빛을 내는 양자광원을 구현하는 데 성공했다. 이는 2차원 반도체에서 구현한 광원이 QLED TV에 사용되는 양자점처럼 밝고 안정적인 특성을 가질 수 있음을 보여준다. 또한 나노 구조를 더욱 작게 만들고 빛을 비추는 조건을 정밀하게 조절하면, 지금까지 어려웠던 상온 고효율 단일양자광 생성도 가능할 것으로 기대된다. 특히 2차원 반도체는 반도체 웨이퍼 공정을 통해 넓은 면적으로 제작할 수 있어, 향후 양자통신과 양자컴퓨팅 등 다양한 산업 기술로의 확장이 가능할 전망이다. 논문의 제1저자인 POSTECH 문태영씨는 “빛을 내는 입자를 한 점에 모아 가두는 방식으로, 상온에서도 밝게 빛나는 양자광원을 구현한 것이 이번 연구의 핵심”이라며 “이러한 구조는 다양한 광양자 소자들로 확장될 수 있는 기반이 될 것”이라고 밝혔다. 서영덕 부연구단장은 “2차원 반도체에서 빛이 만들어지고 사라지는 과정을 정밀하게 제어해 성능을 크게 끌어올린 점이 중요하다”며 “이번 기술은 향후 상온에서 단일광자를 만드는 광원으로 발전할 수 있는 중요한 기술적 전환점이 될 것”이라고 말했다. 한편, 연구에 사용된 나노홀 구조의 제작에는 노준석 교수 연구팀 오동교 씨와 이지해 씨가 참여하였으며, 2차원 반도체 소재의 제작에는 성균관대 김기강 교수 연구팀의 최수호 박사와 POSTECH 조문호 교수 연구팀의 조현제 씨가 참여하였다. 저온 측정에는 Deep Jariwala 교수 연구팀, 김제형 교수 연구팀, 그리고 Joshua R. Hendrickson 교수 연구팀의 Christopher E. Stevens가 함께 수행하였다. 또한 POSTECH 물리학과의 이형우 씨와 구연정 씨가 시뮬레이션 및 AFM 측정 실험을 함께 수행하였다. 이번 연구는 국제학술지 사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 게재됐으며, 한국연구재단, 삼성미래기술육성재단, 기초과학연구원 등의 지원으로 수행됐다.

Kyoung-Duck Park Nature Materials (https://doi.org/10.1038/s41563-026-02569-8)

[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.

Bumjoon Kim Nature Materials (2025)

[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

Min Ju Shon Nature Communications

[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

Changyong Song Surface-plasmon control of ultrafast energy-relaxation modes in photoexcited Au nanorods probed by time-resolved single-particle X-ray imaging

[송창용 교수] 초고속 엑스선으로 규명한 나노입자 에너지 흐름의 선택적 제어

초고속 엑스선으로 규명한 나노입자 에너지 흐름의 선택적 제어 단일입자 시분해 엑스선 회절 이미징 실험 모식도. 펨토초 레이저(펌프)와 엑스선 자유전자 레이저(프로브)를 이용해 무작위로 배향된 금 나노로드의 구조 변화를 실시간으로 포착한다. 빛의 세기에 따른 금 나노로드의 구조 변형 모드 비교. (a) 엑스선 회절 이미지 재구성 결과는 낮은 유효 전기장에서는 횡방향 진동 모드가 유도됨을 보여준다. (b-e) 시뮬레이션 결과를 통해 횡방향 플라스몬 유도 음향 진동과 국소 응력장에 기인함을 입증한다. (f) 높은 유효 전기장에서는 종방향 진동 모드로 변형이 유도된다. (g-j) 종방향 플라스몬 모드에 의해 유도된 음향 진동과 응력장이 실험에서 관측된 아령 형태의 구조 변형을 일으키는 원리임을 보여준다. ■ POSTECH 송창용 교수 연구팀, 레이저 강도에 따른 서로 다른 플라스몬 모드와 구조 변형 경로를 세계 최초로 규명 ■ 초고속 엑스선(PAL-XFEL)으로 피코초(ps) 단위의 에너지 흐름 직접 포착 ■ Nature Communications, ‘올해의 분야별 대표 연구 50선(Editors' Highlights)’에 선정 POSTECH 송창용 교수 연구팀은 4세대 방사광가속기(PAL-XFEL)를 이용해 단일 금 나노로드의 초고속 구조 변화를 실시간으로 관측했다. 연구팀은 레이저 강도 조절만으로 나노입자 내부의 에너지 전달 경로가 서로 다른 방식으로 분기됨을 규명하며, 나노물질의 에너지 흐름이 수동적 반응이 아니라 외부 자극으로 제어될 수 있는 영역임을 제시했다. 일반적으로 금속 나노입자에 빛이 입사되면 국소 표면 플라스몬이 여기되어 에너지가 격자로 전달된다. 기존에는 이 과정이 단순히 빛의 세기에 비례하는 수동적 현상으로 이해되었지만, 연구팀은 레이저 강도를 달리하면 특정 플라스몬 모드가 선택적으로 여기되고, 그 결과로 내부 응력장 분포와 구조 변형 경로가 완전히 달라짐을 시각적으로 입증했다. 실험에서는 지름 50 nm, 길이 145 nm의 단일 금 나노로드를 대상으로 펨토초 레이저를 조사하고, ps 시간척도에서의 비평형 동역학을 단일입자 시분해 XFEL 이미징으로 측정했다. 낮은 유효 전기장에서는 횡방향 플라스몬 모드가, 높은 전기장에서는 종방향 모드가 우세해졌으며 각각 타원형 팽창과 아령 형태의 전자 밀도 분리라는 상이한 변형 특성이 나타났다. 시뮬레이션 결과 역시 플라스몬 모드에 의해 형성된 국소 응력장이 이러한 구조 변형을 유도함을 지지했다. 이번 연구는 플라스몬 모드가 나노입자의 에너지 전달과 변형 경로를 결정하는 능동적 제어 변수임을 밝힌 것으로, 초고속 광 스위칭, 나노 열 제어, 에너지 소자 설계 등 다양한 응용 가능성을 제시한다. 연구결과는 Nature Communications에 게재되었으며, 올해의 분야별 대표 연구 50선(Editors' Highlights)에 선정되었다. 관련 링크 : https://doi.org/10.1038/s41467-025-64853-6

Kyoung-Duck Park ACS Nano 19, 42489 (2025)

[박경덕 교수] 엑시톤 기반의 초집적 광 데이터 저장 기술 개발

엑시톤 기반의 초집적 광 데이터 저장 기술 개발 스마트폰 사진 한 장 용량은 10년 전보다 10배 이상 커졌다. 초고화질 영상은 더하다. 여기에 AI 서비스 확산으로 생성·처리되는 데이터까지 늘어나면서, 저장 공간에 대한 수요는 기하급수적으로 증가하고 있다. 하지만 하드디스크든 USB든 기존 장치들은 전기 스위치를 켜고 끄는 것처럼 한 칸(셀, cell)에 ‘0’과 ‘1’ 두 가지 상태로 정보를 기록한다. 더 많은 정보를 저장하려면 정보 저장 칸을 더 많이 만들어야 한다. 그러나 이를 위해 한 칸의 크기를 줄이다 보면 전기적 간섭과 물리적 한계에 부딪히게 된다. 특히, 빛을 활용한 광 저장 기술은 빛이 퍼지는 성질 때문에 나노미터(nm, 10억분의 1미터) 수준까지 집적도를 높이기 어렵다는 제약이 있었다. 박경덕 교수 연구팀은 반도체 내부에서 빛과 전자가 결합해 형성되는 입자인 ‘엑시톤(exciton)’에 주목했다. 엑시톤은 빛의 특성과 전자의 특성을 모두 가진 입자로 이 입자의 상태를 정밀하게 조절하면 하나의 저장 셀에서 여러 단계의 정보를 표현할 수 있다는 점에 착안한 것이다. 신호등이 빨강, 노랑, 초록 색깔에 따라 서로 다른 신호를 보내듯, 엑시톤 발광 밝기를 여러 단계로 나누어 하나의 셀에 두 가지 이상의 정보를 담는 방식을 고안했다. 연구팀은 이를 위해 ‘금속-절연체-반도체’를 쌓아 올린 나노 터널 접합 장치를 만들었다. 이 구조에서 전하 이동을 미세하게 조절하면 엑시톤이 또 다른 입자 상태로 변하면서 빛의 세기가 달라진다. 연구팀은 이를 이용해 약 60nm 크기 단일 셀에서 세 단계 이상의 발광 상태를 구현하는 데 성공했다. 또한, 저장층 두께를 15nm 이하(머리카락 굵기 약 5,000분의 1)로 얇게 만들어, 소자를 더욱 촘촘히 쌓을 수 있는 기반도 확보했다. 연구팀이 이번에 개발한 기술의 핵심은 정보를 ‘빛의 세기’가 아니라 반도체 내부 입자의 ‘물리적 상태’로 저장한다는 점이다. 빛을 이용해 비접촉 방식으로 데이터를 읽고 쓸 수 있어 장치의 마모와 손상을 줄일 수 있으며, 기존 광 데이터 저장 기술이 가진 근본적 한계를 넘어설 가능성을 제시한다. 이번 연구는 데이터 저장 방식의 한계를 넘어서는 새로운 가능성을 제시한다. 논문 제1저자인 이형우 박사는 "기존 기술이 저장 공간의 확대에 의존했다면, 이번 연구는 빛의 세기가 아닌 반도체 내부 엑시톤의 상태 자체를 정보 단위로 활용했다는 점에서 의미가 크다“라며 "향후 데이터센터와 인공지능 서버, 차세대 반도체 메모리, 스마트 기기 등 여러 분야에 적용될 경우, 저장 기술 패러다임을 바꾸는 전환점이 될 수 있다"라고 연구의 의의를 설명했다. 한편, 연구에 사용된 2차원 반도체 물질의 제작은 성균관대 김기강 교수팀, 결과 분석은 펜실베니아대 Deep Jariwala 교수팀이 참여했으며, POSTECH 주희태, 문태영, 구연정, 김수정 씨가 측정 연구를 함께 수행하였다. 한국연구재단과 삼성미래기술육성사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구는 나노과학 분야 국제 학술지 ‘ACS 나노(ACS Nano)’ 표지 논문으로 선정됐다.

Kim, Yoon-Ho Science Advances Vol. 11, No. 47

[김윤호 교수] 유도 방출 없는 이광자 유도 결맞음 현상 입증

[김윤호 교수] 유도 방출 없는 이광자 유도 결맞음 현상 입증 ‘유도 방출 없는 유도 결맞음’은 두 경로의 확률 진폭이 구별되지 않을 때 나타나는 독특한 양자 간섭 현상으로, 검출되지 않는 광자를 활용한 양자 이미징·양자 분광 등의 새로운 연구 방식에 중요한 기여를 해왔다. 그러나 기존 연구는 모두 단일광자 영역, 즉 1차 상관함수 측정에 국한되어 있어, 이 현상이 본질적으로 양자적인지를 직접적으로 규명하는 데 한계가 있었다. 포항공과대학교 물리학과 김윤호 교수 연구팀은 이러한 한계를 넘어, 기존에 단일광자 영역에서만 확인되었던 ‘유도 방출 없는 유도 결맞음’ 현상을 이광자 상태 영역으로 확장한 새로운 양자 간섭 효과를 세계 최초로 실험적으로 입증하였다 [Im et al., Sci. Adv. 11, eadx2038 (2025)]. 연구팀은 자발적 매개변수 하향변환을 통해 이광자 Fock 상태를 생성하고, 이를 기반으로 유도 방출 없는이광자 유도 결맞음효과를 구현했으며, 단일광자 검출 결과와 이광자 동시검출 결과를 비교함으로써 본 효과가 명확한 이광자 양자 간섭임을 확인하였다. 이를 통해 그동안 직접적으로 접근할 수 없었던 이 현상의 양자적 성격을 최초로 검증하는 데 성공하였다. 또한 실험에서는 측정되지 않은 1016 nm 광자에 위상 φ를 인가할 경우, 검출된 632 nm 광자에서 간섭 변조가 2φ 항으로 나타나는 특성을 관측하였다. 이는 다광자 영역에서 나타나는 특유의 위상 반응으로, 향후 양자 위상계측 기술로의 응용 가능성을 시사한다. 이번 연구는 결맞음이 없는 양자광원 사이에서도 양자광학적 상호작용을 통해 결맞음이 유도될 수 있음을 실험적으로 보여줌으로써, 다광자 양자 간섭, 양자 계측, 그리고 얽힘 상태 생성 등 다양한 양자정보처리 기술로의 확장 가능성을 열었다. 특히 ‘유도 방출 없는 유도 결맞음’ 현상이 다광자 양자광학 영역에서도 성립하며 그 양자적 성격이 실험적으로 검증될 수 있음을 세계 최초로 입증했다는 점에서 중요한 의의를 지닌다. DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.adx2038

Lee, Gil-Ho Science Advances Vol. 11, No. 21

[이길호 교수] 전자 에너지 상태를 자유롭게 제어하는 양자 소자 개발

물리 이길호 교수팀, 직진만 하던 전자, 이제는 삼거리에서 논다 [POSTECH·KAIST·日NIMS, 세계 최초로 전자 에너지 상태를 자유롭게 제어하는 양자 소자 개발] 그동안 직진만 하던 전자가 교차로에서 방향을 바꾸고 다양한 길을 선택할 수 있게 됐다. 최근 물리학과 이길호 교수 연구팀, KAIST(한국과학기술원) 조길영 교수 연구팀, 일본 국립재료과학연구소(NIMS)가 그래핀을 이용해 전자의 에너지 상태를 자유롭게 조절할 수 있는 새로운 양자 소자를 세계 최초로 개발했다. 이번 연구는 국제 학술지인 ‘사이언스 어드밴시스( Science Advances)’에 최근 게재됐다. 우리가 쓰는 스마트폰이나 컴퓨터 속 전자는 회로라는 길을 따라 질서정연하게 움직인다. 하지만 양자 세계에서는 이야기가 다르다. 전자는 마치 동시에 여러 길을 가는 것처럼 행동하며, 이러한 양자의 특성 활용하면 기존 컴퓨터보다 훨씬 강력한 양자컴퓨터를 만들 수 있다. 이번 연구의 핵심은 '3단자 조셉슨 접합(Josephson junction)'이라는 특별한 구조다. 조셉슨 접합은 두 개의 초전도체 사이에 얇은 전도성 재료를 끼워 만든 양자 소자로 연구팀은 세 개의 초전도체를 삼각형 모양으로 그래핀 위에 배치해 전자가 다양한 방향으로 자유롭게 움직일 수 있도록 만들었다. 기존의 구조가 일직선 고속도로였다면, 이번에는 사방으로 뻗은 교차로가 새로 열린 셈이다. 연구팀은 전극 사이에 흐르는 양자 위상차를 정밀하게 조절해, 특정 지점에서 전자의 성질이 완전히 바뀌는 ‘위상 전이(topological transition)’ 현상도 관측했다. 마치 물이 얼음이나 수증기로 바뀌는 것처럼, 전자 행동이 근본적으로 달라지는 변화다. 이 현상을 확인하기 위해 연구팀은 마이크로전자볼트(μeV) 정밀도를 가진 장비를 활용해 실시간 관측에도 성공했다. 가장 주목할 점은, 자연에 없는 전자의 에너지 구조를 실험실에서 설계했다는 것이다. 마치 건축가가 아파트 층을 원하는 대로 정하듯, 전자가 머무를 수 있는 에너지 수준도 새롭게 디자인할 수 있게 된 것이다. 이 기술이 전자의 움직임을 정밀하게 제어하는 데 활용되면, 더욱 안정적이고 성능이 뛰어난 양자컴퓨터 개발로 이어질 수 있다. 이길호 교수는 “이번 연구는 미래 양자 기술의 중요한 전환점이 될 것”이라며, “특히 오류에 강한 양자컴퓨터 구현의 핵심으로 꼽히는 ‘마요라나 준입자(Majorana quasiparticles)*1 ’를 실제로 만들 수 있는 새로운 방향성을 제시했다는 점에서 의미가 크다”라고 전했다. 한편, 이 연구는 삼성미래기술육성재단, 한국연구재단, 과학기술정보통신부 정보통신기획평가원(IITP), 기초과학연구원, 삼성전자, 일본 학술진흥회(JSPS KAKENHI) 및 일본 문부과학성 WPI 사업 등의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.ads0342

Kyoung-Duck Park High momentum two-dimensional propagation of emitted photoluminescence coupled with surface lattice resonance

[박경덕 교수] 바비넷 원리와 표면격자공명을 활용한 2차원 반도체 발광효율 개선

바비넷 원리와 표면격자공명을 활용한 2차원 반도체 발광효율 개선 (좌) 2차원 반도체의 대면적 발광효율 증강 모식도 (우) 바비넷 원리와 표면격자공명 현상을 설명한 그림 차세대 전자소재로 주목받는 2차원 반도체는 두께가 불과 수 원자층이기 때문에 유연하면서도 뛰어난 전기적·광학적 특성을 가진다. 이 때문에 TSMC 등 글로벌기업들이 반도체칩 양산을 위한 차세대소재로 이미 상용화 연구를 진행하고 있다. 하지만 단위부피당 발광효율이 매우 높은 것에 비하여, 수 원자층 두께에서 발생하는 빛의 절대적인 세기는 여전히 낮기 때문에 디스플레이 소재로의 활용을 위해서는 발광효율 향상이 반드시 필요하다. 박경덕 교수 연구팀은 바비넷 원리(Babinet's principle)와 표면격자공명(surface lattice resonance; SLR)이 발생하는 대면적 금 나노광학안테나 구조를 설계 및 제작하고, 이 위에 2차원반도체를 결합하여 발광효율을 1,600배 증강시키는 소자를 구현하는데 성공했다. 기존의 금속 구조 안테나를 이용한 2차원 반도체 밝기 증강 기술은 두 가지 핵심 문제가 있었다. 첫째, 금속과 반도체의 접촉면에서 에너지 손실이 크다는 점. 둘째, 국소적인 영역의 밝기만 증강되어 대면적 디스플레이 응용에는 적합하지 않다는 점. 연구팀은 이를 해결하기 위해 바비넷 원리를 적용하여 속이 빈 금속 안테나 구조를 설계하였다. 이를 통해 금속과 반도체의 접촉면을 최소화하고 높은 밝기 증강을 유도할 수 있었다. 뿐만 아니라, 금속 안테나를 평면상에 특정 주기로 배열하면 표면격자공명 현상을 유도할 수 있다. 표면격자공명은 단순히 여러 개별 안테나 효과의 합이 아니라, 멀리 떨어진 안테나끼리 서로 연결되어 공명현상을 일으켜 더욱 증폭된 빛을 만들어 낼 수 있다. 이는 마치 여러 명이 동시에 트램펄린 위에서 리듬을 맞춰 점프할 때 한순간에 더 높은 도약이 가능해지는 것과 같은 원리로 설명할 수 있다. 이 효과를 이용하여 기존보다 적은 영역의 전원만으로 더 넓은 면적을 밝힐 수 있으며 발광 휘도도 기존보다 1600배나 증강할 수 있다. 논문의 제1저자인 POSTECH 구연정씨는 "이번 연구는 2차원반도체가 직면한 발광소재로써의 한계를 극복하고, 차세대 디스플레이와 광반도체 기술 상용화에 중요한 돌파구를 제시할 수 있을 것"이라고 전했다. 이 연구는 광학분야 국제학술지 Light: Science & Applications에 최근 게재됐으며, 한국연구재단과 삼성미래기술육성재단 등의 지원으로 수행됐다. 논문명: High momentum two-dimensional propagation of emitted photoluminescence coupled with surface lattice resonance 발표일: 2025년 6월 20일 링크: https://www.nature.com/articles/s41377-025-01873-3

Lee, Daesu Nature Nanotechnology

[이대수 교수] 강탄성 롸이팅을 통한 산화물 박막 결정 방향 제어

강탄성 롸이팅을 통한 산화물 박막 결정 방향 제어 (Ferroelastic writing of crystal directions in oxide thin films) Caption: AFM tip을 통한 결정 도메인 제어 및 이를 통한 나노 자기 텍스처 제어 복잡한 결정 도메인 구조로 인한 국지적 이질성은 재료 물성의 해석을 어렵게 하고 소자 성능을 저하하지만, 이를 결정론적으로 제어할 수 있는 일반적인 방법은 부족하다. 포스텍 이대수 교수 연구팀에서 영국 워릭 대학교 Marin Alexe 교수팀 (Wei Peng 박사)과 공동연구를 통해 원자힘현미경 (AFM) 팁에서 발생하는 전단 응력을 통해 산화물 박막의 결정 방향을 강탄성적으로 제어하는 새로운 방법을 제시하였다. SrRuO3 및 (La0.7Sr0.3)(Mn0.9Ru0.1)O3 박막에 이를 적용하여 트윈 도메인 없는 단결정을 구현하고, 더 나아가 자기탄성 결합을 활용하여 국소적인 자기 이방성을 조절함으로써 기능성 나노 자기 텍스처를 기계적으로 기록 및 소거할 수 있음을 보였다. 이는 기계적 힘만으로도 구조적 및 자성적 특성을 정밀하게 제어할 수 있는 가능성을 제시한다. 본 연구는 최근 ‘네이처 나노테크놀로지 (Nature Nanotechnology)’에 게재되었다. <참고 자료> doi.org/10.1038/s41565-025-01950-z