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

Kim, Dong Eon Physical Review Letters

[김동언 교수] 전자 터널링 양자 현상의 베일을 벗기다

carrier-envelop 위상이 안정환된 수주기 근적외선 레이자 펄스의 극한 기술을 이용하여 원자내 쿨롱 벽을 통과하는 전자의 운동 에너지를 시공간의 함수로 측정함. 강한 레이저 전기장에 의해서 왜곡된 쿨롱 벽을 통과하는 전자파 뭉치(wave-packet)의 경로를 보여주고 있다. 배경은 그런 전자의 운동 에너지 분포를 보여준다. 원자내 전자 터널링 양자 현상은 우리의 일상에서는 볼 수 없는 양자 세계만의 독특하고 매혹적인 현상이다 터널링 과정 중 터널링 장벽 내에서 동역학 현상을 규명하여 대표적인 양자 현상 이해의 새로운 이정표를 세웠다. 포항공대, 한국 막스 플랑크 한국 포스텍 연구소 김동언 교수와 독일 핵물리 막스 플랑크 연구소 C. H. Keitel 교수팀은 기존의 직접 다광자 이온화 현상을 넘어서 공명 증강 이온화 현상이 진행되는 과정에서 터널링 장벽 내 재충돌(Under the barrier recollision, UBR) 메커니즘 관련 이론을 개발하고, 예측된 고유한 특징들을 실험을 통해 명확하게 입증하였다. 이로써 터널링 동역학에 대해서 보다 직관적으로 이해하게 되어, 레이저 분광학 및 아토초 과학 분야 등에서 터널링 동역학을 보다 제대로 조작할 수 있는 지평을 연 셈이다. 강한 레이저 장 하의 원자내 전자의 동역학 현상들, 예를 들면 터널링한 전자의 운동으로 인한 고차 고조파 생성, 비-순차적 이중 이온화, 전자 홀로그램과 같은 현상들의 해석에 있어서 핵심적인 역할을 한다. 터널링 후 전자 동역학은 널리 연구되어 왔지만, 그 만큼이나 중요한 터널링 장벽내 전자의 거동은 여전히모호하게 남아있어왔다. 본 연구는 비-단열 터널링 영역에서 이론적 및 실험적 연구를 통하여 터널링 장벽내 전자 동역학을 이해하는 초석을 놓은 셈이다. 프리먼공명(Freeman Resonance)이라고 불리는 공명 증강 이온화 현상이 진행되는 과정에서 터널링 장벽 내 재충돌(Under the barrier recollision, UBR) 메커니즘을 밝혀냈다. 기존의 직접 다광자 이온화 현상을 넘어서 UBR 메커니즘 이론이 예측하는 고유한 특징들을 실험을 통해 명확하게 입증하였다. 본 연구 결과는 터널링 동역학에 대해서 보다 직관적으로 이해하게 되어, 레이저 분광학 및 아토초 과학 분야 등에서 터널링 동역학을 보다 제대로 조작할 수 있는 길을 연 셈입니다. 전자 터너링의 양자 현상의 베일을 벗기며, 김 동언 교수는 “ 최초로 전자가 원자 쿵롱벽을 통해 터널링 할 때, 쿨롱벽 내에서 어떠한 행동을 하는 지에 대한 힌트를 얻게 되었다” 고 설명한다. UBR은 현상론적으로 비슷하게 진행되는 강한 전기장 하의 분자, 고체 상태에서 터널링, 심지어 고에너지 터널링 양자 역학 분야 연구의 기존 해석을 새롭게 해야 하는 것을 제시하고 있다. 김 교수는 , " 20세기 양자 역학을 도래로 밝혀지기 시작한 터널링에 대해서 이제야 좀 더 깊이 알고, 조작할 수 있는 길이 열린 셈“ 이라고 밝혔다. 이 연구 결과는 국제 학술지 ‘ Physical Review Letters 최근 5월호에 게재되었으며 한국연구재단과 한국기술진흥원 역량개발사업의 지원을 받아 수행됐다.

Kim, Jun Sung / Kim, Tae-Hwan / Yeom, Han Woong Advanced Materials

[김준성, 김태환, 염한웅 교수] 야누스 반데르발스 반도체에서 면 의존적인 전자 양극성 관측

야누스 반데르발스 반도체에서 면 의존적인 전자 양극성 관측 Caption: 야누스(Janus)와 카고메(Kagome) 구조를 가진 반데르발스 반도체인 Nb3TeI7의 면 의존적인 전자 양극성 상태가 이번 연구를 통해 확인되었다 ‘야누스(Janus)’ 반데르발스 물질이 차세대 전자 소자와 화학 센서 등에 다양하게 활용될 수 있는 새로운 물질로 주목받고 있다. 야누스 물질은 한 면과 반대 면의 화학적∙물리적 조성이 서로 달라 면에 따라 전자적 양극성을 가지는 독특한 구조를 가지고 있다. 그러나 지금까지 대부분 후보물질은 합성 과정의 한계와 물질의 전자 구조의 특성 때문에 균일한 전자적 양극성을 만들기 힘들거나, 반도체적 특성을 유지하지 못하는 문제를 보였다. 포항공과대학교 물리학과 김준성 교수팀, 김태환 교수팀, 염한웅 교수팀을 비롯한 국내 공동 연구진은 야누스와 카고메(Kagome) 구조를 동시에 가진 반데르발스 반도체인 나이오븀-텔루륨-아이오딘 화합물(Nb3TeI7)을 합성하고, 반도체적 특성을 유지하면서도 면 의존적 전자 양극성이 강한 특성을 최초로 확인했다. 연구진은 Nb3TeI7이 야누스 층들이 나란히 정렬된 독특한 구조를 가지며, 아이오딘(I4) 면과 텔루륨-아이오딘(TeI3) 면 사이에서 약 0.7 eV의 큰 전위 차이를 형성한다는 사실을 이론 계산과 함께 실험적으로 증명했다. 또한, 한쪽 면(I₄)에서는 n형, 반대쪽 면(TeI₃)에서는 p형 반도체 특성이 나타나는 것을 측정하여, 면 의존적인 전계효과 트랜지스터(FET) 작동이 가능함을 확인했다. 이러한 독특한 특성은 카고메 격자 구조에서 유래한 평탄 (flat) 전자 밴드에 기인한다. 평탄 밴드의 매우 큰 전자 유효 질량이 불순물 도핑에도 반도체적 특성을 잘 유지하도록 하며, 강한 전자 상호작용으로 비대칭적인 전자 분포를 향상시켜 물질의 내부 전기장을 증폭시키는 것이다. 이번 연구는 자연적으로 매우 드물게 존재하는 평탄 밴드 야누스 반데르발스 반도체의 합성과 함께, 최초로 반도체적 특성이 유지된 면 의존성 전자 양극성을 관측했다는 점에서 큰 의의를 가진다. 이는 향후 다양한 분야에서 야누스 물질에 기반한 새로운 기술 개발에 대한 가능성을 제시하며, 특히 강력한 전자 양극성을 활용한 차세대 이차원 물질 기반 전자 소자로의 응용이 기대된다. 이번 연구 결과는 국제학술지인 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’에 1월 13일 온라인 게재되었다.

Lee, Gil-Ho Nano Letters

[이길호 교수] 그래핀·초전도 접합 개선 성공

'초전도 기술에 날개다나?' POSTECH , 그래핀·초전도 접합 개선 성공 (좌) 2차원 초전도/그래핀 접합 구조.(우) 접합 부위의 게이트 전압 및 그래핀 채널의 전하 밀도에 따른 2차원 초전도 전극을 사용한 그래핀 조셉슨 접합의 전기전도도 한일 공동 연구진이 그래핀과 초전도 전극의 접합 기술로 차세대 전자기기 개발 가능성을 열었다. 포항공대(POSTECH) 물리학과 이길호 교수·장성 연구팀은 일본 국립재료과학연구소(NIMS) 와타나베 켄지(Kenji Watanabe) 박사, 타니구치 타카시(Takashi Taniguchi) 박사와 협력해 그래핀과 초전도 전극의 접합 특성을 획기적으로 개선하는 데 성공했다고 31일 밝혔다. 이번 연구는 나노 기술 분야의 권위 있는 국제 학술지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 최근 게재됐다. ‘초전도체’는 특수한 조건에서 저항이 0이 되는 물질로, 일반 도체와 결합하면 초전도성이 도체로 전달되는 ‘근접효과(Proximity effect)’가 나타난다. 이 현상은 전자기기 성능을 극대화하는 핵심 기술로 조셉슨 접합이나 위상 초전도 개발 등 응용 분야에서 중요한 역할을 한다. 그래핀은 전기 전도성이 우수하고, 전자 이동 속도가 빨라 초전도체와 도체를 연결하는 이상적인 재료로 주목받아 왔다. 기존 문제점은 초전도체가 그래핀에 전자를 주입하는 과정에서 전자가 빠져나가 ‘홀 도핑(hole doping)’ 상태가 된다는 것. 초전도체와 그래핀 사이에 ‘PN 계면’이라는 경계가 형성됐다. 접합 투과도를 낮추고 근접 효과를 약화해 초전도체가 그래핀에 전기를 효율적으로 전달하는 데 방해가 됐다. 연구팀은 그래핀의 전하 밀도를 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 접합 방식을 개발했다. 그래핀을 보호하는 부도체인 ‘육방정계 질화붕소(h-BN)’ 특정 부분을 정밀하게 깎아내어 그래핀의 표면을 노출하고, 이 위에 초전도체를 접합했다. 이 방식은 기존 1차원 접합과 달리 그래핀 전하 밀도와 극성을 게이트 전압을 통해 조절할 수 있기 때문에 홀 도핑 상태에서도 초전도체와 그래핀 간의 원활한 연결이 가능해 강력한 초전도 근접 효과와 높은 접합 투과도를 유지할 수 있다는 게 연구팀의 전언이다. (왼쪽부터) 이길호 교수, 장성 연구원 제1 저자인 장성 연구원은 “이번 연구는 그래핀의 전기적 특성을 정밀하게 조절할 수 있어 새로운 전자 소자와 연구 분야를 열어줄 것”이라고 기대감을 드러냈다. 이번 연구는 한국연구재단, 과학기술정보통신부, 대학정보통신연구센터협의회, Air Force Office of Scientific Research, 기초과학연구원, 삼성미래기술육성사업, 삼성전자, 일본 학술진흥회(JSPS KAKENHI), World Premier International Research Center Initiative(WPI) 등의 지원을 받았다.

Kyoung-Duck Park Science Advances 10, eadr0492 (2024)

[박경덕 교수] 초고분해 극초단 펄스 전압조절기 개발 성공

초고분해 극초단 펄스 전압조절기 개발 성공 저널명: Science Advances 10, eadr0492 (2024) 발표일: 2024-11-15 초고분해 극초단 펄스 전압조절기를 통해 상온에서 MoS2 단일층의 나노 공간 전자 밀도를 제어하고, 광발광 신호 변화를 관측하는 모식도 전자 분포는 양자소자의 전기적 · 광학적 특성을 결정짓는 중요한 요소로, 양자물질의 전자 분포를 극히 작은 공간에서 정밀하게 제어하는 기술은 차세대 초미세 반도체소자 개발의 초석이 된다. 전자 분포를 조절하여 2차원 반도체의 상전이, 전도도 변화, 반도체입자 형성 및 거동을 제어할 수 있으며, 초전도 특성을 가지는 반도체나 특수한 나노격자 구조를 이용한 메모리 구현이 가능하다. 저차원 양자물질의 전자 분포와 밀도 조절을 위한 대표적인 방법으로 화학적 전하주입법과 정전기적 전하주입법이 있다. 이 중 정전기적 전하주입법은 가역적이고 비파괴적이며, 빠르고 안정적인 전자 분포 조절이 가능하다는 장점이 있다. 하지만 나노 공간에서의 정전기적 전하주입법은 아직까지 해결되지 못한 어려운 문제다. 반도체 나노 공간에 전기장을 걸더라도 전자의 빠른 확산으로 인해 제어 불가능한 넓은 공간의 전자 분포가 변화하게 된다. 이러한 2차원 반도체의 무작위적인 전자 확산은 초미세 반도체소자 개발에 있어서 큰 제약이 되고 있다. 따라서 차세대 반도체소자 개발을 위해서 전자 확산 문제를 극복하고 나노 공간에서 반도체의 전자 분포를 조절하는 기술이 필요하다. 박경덕 교수 연구팀은 원자힘현미경, 전도성 나노광학 안테나 탐침, 초고분해 분광장치, 고속 교류전압 펄스 발생기를 연동 결합한 초고분해 극초단 펄스 전압조절기를 개발해 나노 공간에서 저차원 양자물질의 전자 분포를 조절하는 장비를 최초로 구현했다. 복잡한 미세 전극 소자가 필요한 기존 방식과 달리 나노광학 안테나 탐침에 고속 교류전압을 걸어 저차원 양자물질의 전자 밀도를 나노 공간에서 자유자재로 조절하는 데 성공한 것이다. 연구팀은 개발한 장비를 이용하여 2차원 반도체인 이황화몰리브덴(MoS2) 단일층의 전기적 및 광학적 특성을 나노 공간에서 정밀하게 제어했다. 또한, MoS2 단일층의 전기적 특성과 광학적 특성을 정밀하게 동시 측정한 결과, 전자 밀도를 조절함에 따라서 MoS2 나노 공간 내 반도체입자들이 상호 변환되며, 동시에 MoS2 단일층의 광발광 양자수율에도 변화가 있는 물리적 현상을 규명했다. 더 나아가 고속 교류전압 펄스 폭에 따른 광발광 세기 측정과 이와 연관된 이론적 모델링을 통해 초고분해 극초단 펄스 전압조절기에 의해 전자 분포 제어가 나노 공간에서 가능함을 검증했다. 논문의 제1저자인 김수정 씨는 ”양자물질의 전자 분포를 자유자재로 제어하는 원천기술의 개발은 차세대 초미세 반도체소자 개발의 토대가 될 것“이라는 기대를 전했다. 또한 논문의 공동 제1저자인 이형우 씨는 “2차원 반도체의 무작위적인 전자 확산 난제를 극복하고 이의 능동적제어까지 가능해졌기 때문에 전자 밀도의 공간적 변화에 의해 반도체소자에서 발생하는 다양한 물리현상들을 다각적으로 규명할 수 있을 것”이라고 전했다. 한편, 연구에 사용된 2차원 반도체 물질의 제작은 성균관대 김기강 교수팀, 고 유전상수 산화물박막 제작은 울산과학기술원(UNIST) 박형렬 교수팀이 참여했으며, POSTECH 물리학과 주희태 씨가 측정 연구를 함께 수행했다. 한국연구재단과 삼성미래기술육성재단 등의 지원을 받아 수행된 이번 연구는 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 최근 게재됐다.

Kyoung-Duck Park Nature Communications 15, 8725 (2024)

[박경덕 교수] 차세대 초고속 반도체입자 변조기 개발 성공

차세대 초고속 반도체입자 변조기 개발 성공 국문 caption: 초고속 양자터널링 광공진기를 통해 이차원 반도체에 존재하는 입자들의 거동을 초초고속으로 전기적 변조하며 실시간으로 관찰하는 과정을 나타내는 모식도 반도체입자는 이차원 반도체의 광학적, 전기적 특성을 결정하는 기본 단위로, 개별 입자의 물리적 특성이 고감도카메라, LED 조명, 반도체 레이저, 태양전지 등 다양한 전자장치의 성능을 직접적으로 결정한다. 최근에는 도핑 기술을 통해 중성 반도체입자를 극성 반도체입자로 변환하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 이때 발생하는 스핀 특성, 방사붕괴율 변화, 결합에너지 및 수송특성 증가 등을 잘 활용하면 반도체소자의 전기특성 및 에너지효율을 크게 향상시킬 수 있다. 특히, 전기적 도핑 방법은 비파괴적이면서도 매우 빠르게 극성 반도체입자로의 변환을 가능하게 하며, 산업용으로 쉽게 적용될 수 있는 장점이 있다. 하지만 기술적 한계로 인해 초고속 반도체입자 상호변환을 극미세 나노공간에서 가능하게 하는 차세대 변조기는 아직까지 구현되지 못했다. 박경덕 교수 연구팀은 금으로 제작된 나노광학안테나 탐침을 기반으로 나노스케일에서 전기적 도핑이 가능한 초고속 양자터널링 광공진기를 개발하였다. 이를 통해 단일층 이황화몰리브덴에 존재하는 중성 반도체입자와 극성 반도체입자 간 전기적 변환을 약 8메가헤르츠의 주파수로 극미세 나노공간에서 실현하는 데 성공했다. 연구팀이 개발한 장비는 반도체입자의 초고속 능동변환과 동시에, 실시간으로 변화하는 반도체물질의 전자구조 및 광학적 특성을 초고분해능으로 관찰할 수 있다. 이를 통해 반도체입자 상호변환 과정에서 발생하는 반도체입자의 동역학적 특성과 에너지변화 등을 실험적으로 검증하였다. 논문의 제1저자인 이형우 씨는 “극성 반도체입자를 국소 공간에서 초고속으로 제어하는 새로운 플랫폼을 제시했기 때문에, 새로운 타입의 초소형 광전소자, 양자정보소자 개발에 실마리를 제공할 중요한 원천기술이 될 것”이라고 했다. 또한, 논문의 공동 제1저자인 김수정 씨는 “기존에는 불가능했던 반도체입자의 초고속 나노거동 제어와 실시간 관찰이 가능해졌기 때문에 변환 과정에 숨어있는 다양한 물리적 현상들이 규명될 것”이라고 말했다. 한편, 연구에 사용된 이차원반도체 물질의 제작은 성균관대 김기강 교수팀, 고 유전상수 산화물박막의 제작은 울산과학기술원 박형렬 교수팀이 참여했으며, POSTECH 물리학과의 주희태 씨가 측정 연구를 함께 수행하였다. 한국연구재단과 삼성미래기술육성재단의 지원을 받아 수행된 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 온라인판에 최근 게재됐다.

Kim, Bumjoon Nature Physics, IF 17.6

[김범준 교수] 전이금속 칼코겐화합물에서의 나선 전하 밀도파의 형성 원리

- 고체분광학 김범준 교수 연구실 - 전이금속 칼코겐화합물에서의 나선 전하 밀도파의 형성 원리 Origin of the chiral charge density wave in transition-metal dichalcogenide 전이금속 칼코겐화합물의 결정 구조와 전하 밀도파. 전이금속 칼코겐화합물 1T-TiSe2의 전하 밀도파와 결정 구조 변화, 각각이 가진 대칭성이 그려져 있다. 연구진은 이번 연구를 통해 결정 구조(오른쪽 붉은색)가 갖는 대칭성과 전하 밀도파(왼쪽 푸른색)이 보이는 대칭성이 일치하지 않기에, 추가적인 원자들의 이동이 유도되고 결과적으로 모든 대칭성이 깨어진 나선성 구조(아래 보라색)가 발현됨을 밝혀내었다. POSTECH(포항공과대학교) 물리학과 김범준 교수·통합과정 김광래·김현우·하승혁 씨 연구팀과 김기석 교수, 복진모 연구원은 전이금속 칼코겐화합물에서 나선성 전하밀도파를 발견하고 메커니즘을 세계 최초로 규명했다. 시계와 거울에 비친 시계는 서로 반대 방향으로 움직이는 것처럼, 물체가 자신의 거울상과 구별될 수 있을 때 물체는 나선성을 지닌다고 일컬어진다. 나선성은 아원자 입자부터 생명체까지 자연계 전반에 걸쳐 나타난다. 일례로, 흔히 볼 수 있는 석영 결정이 시계 혹은 반시계 방향의 나선성 구조를 가지며, 나선성의 방향이 변하는 것은 높은 온도에서 석영이 액체에서 고체로 굳어질 때에만 가능하다. 그렇다면 나선성은 어떻게 결정되는 것이고, 아원자 입자와 같은 미시적 물체는 어떻게 나선성을 지니게 될까. 나선성 형성의 메커니즘에 대한 연구는 현 물리학계의 큰 화두 중 하나이다. 연구진은 빛의 비탄성 산란 실험을 통해 전이금속 칼코겐화합물 1T-TiSe2에 존재하는 나선성의 직접적 증거를 발견했고, 나선성 발현이 결정 구조와 전하 분포 사이의 대칭성 불일치에 기인함을 밝혔다. 이는 반세기 전인 1976년 1T-TiSe2 결정의 구조가 보고된 이래 나선성 구조를 처음으로 관측해낸 성과이다. 이 실험에서 연구진은 결정을 이루는 원자들의 진동에 주목했다. 전자들이 재분포되며 전하 밀도파가 발생할 때 원자는 새로운 위치로 재정렬하며 결정 구조의 변화를 꾀한다. 원자의 움직임은 특정 형태의 진동이 굳어 고정되는 현상으로 이해할 수 있기 때문에, 연구진은 다양한 원자 진동 현상을 관측함으로써 미세한 구조 변화를 포착해낼 수 있었다. 또한 연구진은 기존에 알려진 원자 진동을 지배하는 대칭성과 전하 밀도의 대칭성이 근본적으로 다르다는 사실을 지적했다. 이는 곧 결정 구조가 전하 밀도의 변화를 정확히 따르지 않는다는 모순을 시사한다. 대칭성 불일치를 해소하는 방법은 추가적인 원자 진동을 통해 구조 변화를 유발하는 것뿐이며, 이러한 피드백이 구조와 전하 밀도의 대칭성이 일치할 때까지 계속되어, 궁극적으로 거울 반사를 포함한 모든 대칭성이 제거된 나선성 구조가 형성된다. 연구진은 자체 개발 라만 분광 장비를 활용해 나선성 구조 발현을 관측했고, 미국 아르곤 연구소의 연구팀과 협업해 비탄성 X-선 산란 장비를 통해 대칭성 불일치 해소를 위해 유도된 원자 진동을 특정함으로써 위 이론을 검증했다. 고체 물질에서 나선성은 원형 광발전 효과, 비가역적 전자 수송 등 독특한 물리적 특성을 매개한다. 따라서 나선성의 발현 및 제어는 향후 차세대 스핀 소자 혹은 에너지 저장 기술 등의 분야에 활용될 수 있어 기술적으로 중요한 의미를 가진다. 이에 교신저자인 김범준 부연구단장은 “고체 물질 속 나선성 발현 메커니즘을 이해하는 것은 근본적인 물리적 원리로부터 출발해 응용 가능한 양자 물질 설계로 나아가는 첫 걸음을 내딛은 것”이라고 말했다. 이번 연구는 물리학계 권위 학술지 네이처 피직스 (Nature Physics, IF 17.6)에 10월 14일 온라인 게재되었다. 논문 게재 정보 : Origin of the chiral charge density wave in transition-metal dichalcogenide - Nature Physics (2024) Kwangrae Kim, Hyun-Woo J. Kim, Seunghyeok Ha, Hoon Kim, Jin-Kwang Kim, Jaehwon Kim, Junyoung Kwon, Jihoon Seol, Saegyeol Jung, Changyoung Kim, Daisuke Ishikawa, Taishun Manjo, Hiroshi Fukui, Alfred Q. R. Baron, Ahmet Alatas, Ayman Said, Michael Merz, Matthieu Le Tacon, Jin Mo Bok, Ki-Seok Kim & B. J. Kim

Lee, Gil-Ho / gilyoung, Cho Physical Review Letters

[이길호, 조길영 교수] 초전도체 양자속박상태 새로운 조절법 발견

포스텍(POSTECH)은 이길호 물리학과 교수·조길영 교수 연구팀이 일본 국립재료과학연구소(NIMS) 켄지 와타나베 박사·타카시 타니구치 박사팀과 공동 연구를 통해 이중층 그래핀 기반 안드레예프 속박 상태의 양자역학적 특성을 게이트 전압으로 제어하는 데 성공했다고 26일 밝혔다. 터널 전극이 부착된 이중층 그래핀 조셉슨 접합 소자(왼쪽)와 게이트 전압에 따라 안드레예프 속박 상태의 에너지 준위 수가 바뀌는 모습 초전도체는 영하 200도 이하와 같은 극저온 및 고압 등 특정한 환경에서 전기 저항이 0이 되는 물질이다. 두 초전도체 사이에 매우 얇은 일반 도체를 삽입하면 초전도성이 일반 도체에 스며드는 근접 효과로 인해 일반 도체를 통해 초전류가 흐르는 현상이 발생하는데, 이를 조셉슨 접합 구조라고 한다. 이때 일반 도체에는 안드레예프 속박 상태라는 새로운 양자 상태가 형성되며, 이는 일반 도체에 흐르는 초전류를 매개하는 중요한 역할을 한다. 조셉슨 접합의 전기적 특성을 결정하는 안드레예프 속박 상태의 에너지 준위 개수는 전자들이 자유롭게 이동할 수 있는 '전도 채널 길이'와 초전도 상태가 형성된 '초전도 결맞음 길이' 비율에 따라 달라진다. 전도 채널이 짧아 안드레예프 속박 상태 준위가 한 쌍으로 제한되는 경우, '짧은 접합 한계에 있다'고 말하며, 두 쌍 이상일 때는 '긴 접합 한계에 있다'고 한다. 이번 연구에서 연구팀은 게이트 전압을 이용해 이차 함수와 유사한 이중층 그래핀 전자 상태와 에너지 분포, 초전도 결맞음 길이를 실시간으로 제어했다. 연구팀은 이전 연구를 통해 개발한 터널링 분광법으로 다양한 게이트 전압에서 안드레예프 속박 상태 변화를 실시간으로 관측하는 데 성공했다. 제1저자인 포스텍 양자정보소자 인력양성 연구센터 박건형 연구원은 “짧은 조셉슨 접합 한계에서 주로 관측되던 안드레예프 속박 상태를 긴 조셉슨 접합 한계에서 명확하게 관측했다. 게이트 전압을 가해주는 것만으로 에너지 준위의 수를 쉽게 조절할 수 있어 양자 컴퓨팅과 고정밀 양자 센서 등 다양한 양자 정보 소자 분야에 활용될 수 있을 것이라 기대한다”고 말했다. 이길호 물리학과 교수(왼쪽)와 조길영 교수 한국연구재단과 과학기술정보통신부, 대학정보통신연구센터 협의회, Air Force Office of Scientific Research, 기초과학연구원, 삼성미래기술 육성사업, 삼성전자, 기초과학연구소, 일본 학술진흥회(JSPS KAKENHI), World Premier International Research Center Initiative(WPI)의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 최근 물리학 분야 국제 학술지인 '피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)'에 게재됐다.