Kim, Jun Sung / Min, Byung Il Physics Review Letters 111, 176405 (2013)

[Oct 25, 2013] 김준성, 민병일 교수 연구실 - Quantum Oscillations of the Metallic Triangular-Lattice Antiferromagnet PdCrO2

[Oct 25, 2013] 김준성, 민병일 교수 연구실 - Quantum Oscillations of the Metallic Triangular-Lattice Antiferromagnet PdCrO2 Physics Review Letters 111, 176405 (2013) “삼각격자 반강자성체의 전도전자와 자기구조의 강한 상호작용 관측" 신물질극한물성 연구실에서는 금속성을 띤 삼각격자 자성체인 PdCrO2 의 고자기장 양자진동측정을 통해 반강자성 상전이로 형성된 쩔쩔맴 자기 구조가 전도 전자의 전하수송특성에 주는 영향을 규명하였다. 관련 논문은 Phys. Rev. Lett. 에 게재되었다 (2012.10.25). 이 결과는 4d 전이금속 전도층을 가진 층상구조 물질에서 전자 전도와 자성 상전이가 서로 다른 층에서 일어나더라도 전도 전자와 국소화된 자성구조가 강하게 결합될 수 있음을 처음으로 보인 연구 결과이다. 이러한 결과는 향후 4d 전이금속을 포함한 층상구조 자성체의 특이 자성구조와 전도특성을 이해하는데 중요한 기초 정보를 제공할 것으로 기대된다. The interplay between frustrated magnetism and itinerant electrons is a central subject of condensed-matter physics. How complex magnetic order influences the nature of itinerant electrons is therefore one of the key questions for understanding exotic properties of frustrated magnets. Jong Mok Ok et al. in Lab. for advanced material and extreme conditions, led by Prof. Jun Sung Kim, reported the electronic and transport properties of the triangular antiferromagnet PdCrO2 at high magnetic fields up to 33 T, using measurements of the de Haas–van Alphen oscillations and the Hall resistivity. They found Fermi surface reconstruction due to the helical ordering of the localized Cr spins, suggesting significant coupling of the itinerant electrons to the underlying spin texture. This induces the nonlinear Hall resistivity at low temperatures via the magnetic breakdown in the reconstructed Fermi surface. Furthermore, such a coupling leads to the unconventional anomalous Hall effects near the antiferromagnetic transition due to the field-induced spin chirality. These results demonstrate that triangular-lattice antiferromagnets containing 4d or 5d elements would provide fertile ground for inducing exotic transport properties, coupled to the frustrated spin structure.

Lee, Hyun-Woo Physics Review Letters 111, 216601 (2013)

[Nov 19, 2013] 이현우 교수 연구실 - Chirality from Interfacial Spin-Orbi

[Nov 19, 2013] 이현우 교수 연구실 - Chirality from Interfacial Spin-Orbit Coupling Effects in Magnetic Bilayers Physics Review Letters 111, 216601 (2013) 스핀트로닉스가 작은 계의 연구를 지향함에 따라 1nm 이하의 초박막 자성 나노구조의 자화에 대한 연구가 주목 받고 있다. 초박막 자성 나노구조에서 기존 이론으로 설명되지 않는 현상들이 발견되고 있어 비대칭성으로 인한 강한 계면 스핀-궤도 상호작용의 역할이 중요시되고 있다. 최근 계면 스핀-궤도 상호작용의 역할에 대한 연구가 이루어져 스핀-궤도 토크 등의 새로운 Chiral 현상들이 예측 및 발견되고 있었으나 이들에 대한 통합적인 이해는 제공하지 못하고 있었다. 이현우 교수 연구팀은 고려대학교, NIST와의 공동연구를 통해 계면 스핀-궤도 상호작용이 만들어내는 Chirality를 규명하고 기존 연구 결과들을 모두 유도하는 통합 이론을 Physical Review Letters에 발표하였다. (2013.11.22) 더불어 실험적으로 추측되어 온 계면 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용의 존재를 유도하고 그 크기가 스핀-궤도 토크 등과 밀접한 연관이 있음을 밝혀내었다. 이 성과는 기존에 독립적으로 알려져 있던 Chiral 현상들이 계면 스핀-궤도 상호작용을 통해 유기적으로 연관되어 있다는 점을 밝힘에 따라 초박막 자성 나노구조의 통합적인 이해를 제공하고 Chiral 현상들간의 제어 및 측정에도 큰 기여를 할 것이라 기대된다. As nanomagnetic devices scale to smaller sizes, spin-orbit coupling due to the broken structural inversion symmetry at interfaces becomes increasingly important. Here, we study interfacial spin-orbit coupling effects in magnetic bilayers using a simple Rashba model. The spin-orbit coupling introduces chirality into the behavior of the electrons and through them into the energetics of the magnetization. In the derived form of the magnetization dynamics, all of the contributions that are linear in the spin-orbit coupling follow from this chirality, considerably simplifying the analysis. For these systems, an important consequence is a correlation between the Dzyaloshinskii-Moriya interaction and the spin-orbit torque. We use this correlation to analyze recent experiments.

Lee, Hyun-Woo Physics Reports 531, 89-113 (2013)

[Oct 10, 2013] 이현우 교수 연구실 - Self-consistent calculation of spin

[Oct 10, 2013] 이현우 교수 연구실 - Self-consistent calculation of spin transport and magnetization dynamics Physics Reports 531, 89-113 (2013) 전자의 스핀과 자화의 상호작용은 전류를 통한 자화의 제어를 가능하게 해준다. 전류에 의한 자화동역학은 전류에 의해 직접적으로 영향 받는 자화의 거동을 중심으로 연구되었으나, 반대로 자화동역학에 의해 영향받는 전자의 동역학은 거의 무시되어 왔다. 이현우 교수 연구팀은 고려대학교, NIST와의 협업을 통해 자화의 의해 유도되는 추가 전류의 피드백으로 자화상태가 변할 수 있는 가능성들을 제시하여 Physics Reports에 발표하였다. (2013.10.10) 이 연구는 기존에 연구되어 오던 전류에 의해 유도되는 자화동역학과, 최근에 주목받고 있는 자화에 의해 유도되는 전자의 동역학을 연결하여 전자와 자화의 상호작용에 대한 이해에 크게 기여할 것으로 예상된다. A spin-polarized current transfers its spin-angular momentum to a local magnetization, exciting various types of current-induced magnetization dynamics. So far, most studies in this field have focused on the direct effect of spin transport on magnetization dynamics, but ignored the feedback from the magnetization dynamics to the spin transport and back to the magnetization dynamics. Although the feedback is usually weak, there are situations when it can play an important role in the dynamics. In such situations, simultaneous, self-consistent calculations of the magnetization dynamics and the spin transport can accurately describe the feedback. This review describes in detail the feedback mechanisms, and presents recent progress in self-consistent calculations of the coupled dynamics. We pay special attention to three representative examples, where the feedback generates nonlocal effective interactions for the magnetization after the spin accumulation has been integrated out. These examples show that the self-consistent treatment of spin transport and magnetization dynamics is important for understanding the physics of the coupled dynamics and for providing a bridge between the ongoing research fields of current-induced magnetization dynamics and the newly emerging fields of magnetization-dynamics-induced generation of charge and spin currents.

Lee, Hu-Jong Nature Communications 4, 2525 (2013)

[Sep 23, 2013] 이후종 교수 연구실 - Complete gate control of supercurren

[Sep 23, 2013] 이후종 교수 연구실 - Complete gate control of supercurrent in graphene p–n junctions Nature Communications 4, 2525 (2013) 그래핀을 기반으로 한 조셉슨접합에서는 디락점에서도 초전류가 완벽하게 차단되지 않아 초전류 스윗칭이 불완전하며, 이는 그래핀을 초전도양자소자에 응용하는 데 큰 걸림돌이 되고 있다. 이후종교수 연구팀 (양자전도-초전도연구실)은 단원자층 그래핀 상단에 부분적으로 top gate를 위치시킨 초전도 그래핀접합소자에 게이트전위만으로 p-n 극성을 형성하여, 접합초전류가 완전히 차단되는 초전류스위칭을 최초로 실현하였으며，그　결과를　Nature Communications (2013년 9월 23 일)에 게재 하였다　(저자: 최재현, 이길호, 박성훈, 정동찬, 이정오, 심흥선, 도용주, 이후종). 접합초전류의 완전한 차단은 그래핀에 형성되는 ripple이 만들어내는 유사자기장에 의해 무작위적인 초전도 위상어긋남이 발생하기 때문임을 밝혔다. 또한, 전기적 게이팅만을 이용해 조셉슨접합에 존재하는 양자초전도상태를 임의로 조절할 수 있음을 보여, 그래핀을 이용한 초전도 양자소자 개발/연구에 새로운 이정표가 될 것으로 기대되고 있다. In a conventional Josephson junction of graphene (JJG), the supercurrent is not turned off even at the charge neutrality point, impeding further development of superconducting quantum information devices based on graphene. Here, we fabricate bipolar JJGs, in which a p-n potential barrier is formed in graphene with two closely spaced superconducting contacts, and realise supercurrent ON/OFF states using electrostatic gating only. The bipolar JJGs also show fully gate-driven macroscopic quantum tunnelling behaviour of Josephson phase particles in a potential well, where the confinement energy is gate-tuneable. We suggest that the supercurrent OFF state is mainly caused by a supercurrent dephasing mechanism due to a random pseudomagnetic field generated by ripples in graphene, in sharp contrast to other nano-hybrid Johsephson junctions. Our study would pave the way for the development of entirely new gate-tuneable superconducting quantum information devices.

Ryu, Chang-Mo The Astrophysical Journal Letters 775, L21 (2013)

[Sep 06, 2013] 유창모 교수 연구실 - ASYMMETRIC ELECTRON DISTRIBUTIONS IN

[Sep 06, 2013] 유창모 교수 연구실 - ASYMMETRIC ELECTRON DISTRIBUTIONS IN THE SOLAR WIND The Astrophysical Journal Letters 775, L21 (2013) 1 AU 근처의 태양풍과 지구 bow shock 의 upstream 영역에서 관측되는 비대칭적 전자 속도 분포 함수 문제는 천체물리학에서 해결되지 않은 과제이다. 기존 연구에는 이러한 전자 속도 분포를 kappa 분포로 설명하려고 하였다. 하지만, 태양풍에서 관측된 전자 속도 분포는 상당한 비대칭적 고온 꼬리 분포를 포함하고 있기 때문에 단일 성분의 kappa 모델로는 설명이 되지 않는다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 입자 (PIC) 전산모사를 이용하여 비대칭적 전자 속도 분포 함수를 만들어내는 타당한 메커니즘에 대하여 연구하였다. 이 연구를 통해서 이온과 전자 온도비가 낮을 때에는 고온 꼬리 분포가 준대칭적이지만, 온도비가 증가됨에 따라 뒤쪽성분으로 비대칭성이 발생된다는 것을 발견하였다. 즉, 온도비의 변화가 비선형 파동-입자 역학에 영향을 주어 비대칭적 분포가 형성된다. 이러한 비대칭적 전자 분포와 온도비의 상호관계는 관측연구에 새롭고 유용한 도구가 될 것이다. A plausible mechanism responsible for producing asymmetric electron velocity distribution functions in the solar wind is investigated by means of one-dimensional electrostatic particle-in-cell (PIC) simulation. A recent paper suggests that the variation in the ion-to-electron temperature ratio influences the nonlinear wave–particle dynamics such that it results in the formation of asymmetric distributions. The present PIC code simulation largely confirms this finding, but quantitative differences between the weak turbulence formalism and the present PIC simulation are also found, suggesting the limitation of the analytical method. The inter-relationship between the asymmetric electron distribution and the ion-to-electron temperature ratio may be a new useful concept for the observation.

Kim, Yoon-Ho Nature Communication 4, 2471 (2013)

[Sep 13, 2013] 김윤호 교수 연구실 - Experimental realization of a delaye

[Sep 13, 2013] 김윤호 교수 연구실 - Experimental realization of a delayed-choice quantum walk Nature Communication 4, 2471 (2013) “2차원 양자 걸음 실험적으로 구현” 양자광학/양자정보 연구실에서는 최초로 단일 광자를 사용한 2차원 양자 걸음을 실험적으로 구현 하였다. 이 연구는 영국 임페리얼 칼리지 이론 연구진과 공동 연구로 수행되었으며, 연구 결과는 Nature communications (저자: 정연창, 임향택, 김윤호)에 게재되었다 (2013.09.13). 김윤호 교수 연구팀은 얽힘 광자 쌍을 이용하여 최초로 단일 광자의 2차원 양자 걸음을 구현 하였으며, 양자 걸음이 끝난 이후 2차원 양자 걸음의 결과를 양자 얽힘 현상을 이용해 원격으로 선택할 수 있음을 실험적으로 보였다. 이번 연구 성과는 복잡한 양자 현상의 시뮬레이션, 양자 검색 알고리즘 구현 등의 연구에 크게 기여할 것으로 예상된다. Quantum optics and quantum information laboratory under professor Yoon-Ho Kim experimentally implemented two dimensional quantum walk with single photons for the first time. The theoretical work was cooperated with a theoretical group in Imperial College London, United Kingdom. This work was published in Nature Communications on Sep 13, 2013. Kim's group implemented two dimensional quantum walk of single photons using entangled photon pairs and experimentally showed that the result of the quantum walk can be controlled remotely using the entangle photon pairs after the quantum walk is finished. This achievement will contribute the researches on complex quantum simulations, quantum search algorithms, and so on.

Kim, Yoon-Ho Nature Communications 4, 2451 (2013)

[Sep 11, 2013] 김윤호 교수 연구실 - Observation of detection-dependent

[Sep 11, 2013] 김윤호 교수 연구실 - Observation of detection-dependent multi-photon coherence times Nature Communications 4, 2451 (2013) “광자시스템의 결맞음시간 다양성 관측” 양자광학/양자정보 연구실에서는 광자의 결맞음시간이 광자를 측정하는 방법에 따라 다양하게나타나는 것을 관측하였다. 독일 프라이부르크 대학의 이론 연구진과 공동 연구로 수행되었으며, 연구 결과는 Nature Communications (저자: 라영식, 임향택, 권오성, 김윤호)에 게재되었다 (2013.09.11). 기존에 알려진 빛의 결맞음시간은 빛의 파장분포도에 따라서만 변화하였다. 하지만 김윤호 교수 연구팀은 광자가 간섭계를 통과한 후 광자를 검출하는 광검출기의 배치 방법에 따라서 광자의 결맞음시간이 다르게 나타남을 관측하였다. 이러한 현상은 광자의 개수가 4개 이상일때 부터 발생하는 것이 실험적, 이론적으로 밝혀졌다. 이 결과는 다수의 광자로 이루어진 양자 시스템의 결맞음 특성 연구에 큰 기여를 할것으로 예상된다. Quantum optics and quantum information laboratory under Professor Yoon-Ho Kim observed that the multi-photon coherence time, defined by the width of the interference signal, depends on the number of interfering photons and on the measurement scheme chosen to detect the particles. The theoretical work was cooperated with a theoretical group in Freiburg Institute for Advanced Studies, Germany. This result was published in Nature Communication on 11 Sep 2013. The previously known coherence time of light changes with respect to the spectrum of the light. However, Kim's group reported that coherence times of photons depend on the detection schemes of single photon detectors after the photons pass interferometers. It is theoretically and experimentally turned out that this phenomenon occurs when more than four photons interferes. This work will contribute the researches on the properties of coherence of quantum systems composed of multi photons.