Shin, Heedeuk Nano Letters

[신희득 교수] 고차 로렌츠 혼합에 의한 음향 공진 조정

고차 로렌츠 혼합에 의한 음향 공진 조정 Acoustic Resonance Tuning by High-Order Lorentzian Mixing 나노 구조에서 매우 높은 Q-factor를 갖는 음향 공진기(acoustic cavity)의 발전은 다양한 물리적 시스템 간의 강력한 상호 작용을 가능하게 하기에 신호 처리, 센서 및 양자 응용에서 많은 주목을 받고 있다. 이러한 음향 공진기는 외부 교란에 매우 민감하며, 해당 응답이 기하학적 구조와 재료에 의해 결정되기 때문에 공진 특성을 제어하기 어렵다. 신희득 교수의 연구실에서 광-기계 시스템(optomechanical system)에서 고차 로렌츠 응답을 혼합하여 음향 공진을 조정하는 방법을 시연하였다. 약하게 결합된 음향 공진기를 사용하여 두 번째 및 세 번째 로렌츠 응답의 혼합을 달성하였고, 이를 통해 공진의 대역폭과 피크 주파수의 미세 조정이 가능함을 보였다. 이 새로운 공진 조정 방법은 로렌츠 응답을 갖는 시스템에 널리 적용될 수 있으며, 특히 외부 환경 변동 및 제조 시 발생한 오류에 대한 능동 보상에 유용하다. 이 연구는 Nano Letters에 게재되었고, Front Cover로 선정되었다. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c00335

Lee, Gil-Ho Physical Review Letters

[이길호 교수] 초전도 소자의 양자속박상태 조절법 제시

초전도 소자의 양자속박상태 조절법 제시 - POSTECH 연구팀, 조셉슨 접합의 양자특성을 손쉽게 제어할 수 있는 새로운 방법을 제시 포항공과대학교(POSTECH) 물리학과 이길호 교수, 조길영 교수 연구팀은 일본 국립재료과학연구소(NIMS) Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi 박사 연구팀과의 공동 연구를 통해 겹층 그래핀(bilayer graphene) 기반 조셉슨 접합 (Josephson junction)의 성질을 결정짓는 안드레예프 속박 상태 (Andreev bound states)의 양자역학적 특성을 게이트 전압 인가를 통해 성공적으로 조절하였다. 이번 연구는 미국 국제 학술지 ‘Physical Review Letters’ 에 최근 게재됐다. 조셉슨 접합은 두 초전도체 사이 매우 얇은 일반 도체를 통해 초전류가 흐를 수 있는 소자로, 양자컴퓨터, 고정밀 양자 센서, 저전력 및 고속 전자 소자 등에 활용되고 있다. 두 초전도체 사이에 위치한 겹층 그래핀에 속박된 전자는 ‘안드레예프 속박 상태‘란 양자화된 에너지 상태로 존재하게 되며, 이는 조셉슨 접합의 작동 특성을 결정짓는 가장 중요한 요소이다. 이번 연구는 겹층 그래핀의 에너지 분산 특성을 게이트 전압으로 조절하여 초전도 결맞음 길이를 제어하고, 이에 따른 안드레예프 속박 상태의 에너지 준위 분산 및 개수를 실시간으로 손쉽게 조절하는 방법을 제시한다. 다양한 양자정보소자로서 응용 가능성이 높은 조셉슨 접합의 전기적 특성은 소자를 구성하는 일반금속의 전도층에 존재하는 안드레브 속박 상태의 에너지-위상 관계와 밀접하게 관련되어 있다. 이 속박 상태는 전도 채널의 길이와 초전도 결맞음 길이(superconducting coherence length)의 비율에 따라 에너지 준위 분산 및 개수가 변화하는 특성을 가지는데, 일반적으로 준위 개수가 1쌍일 때는 짧은 접합 한계(short junction limit)에 있다고 하며 2쌍 이상일 때는 긴 접합 한계(long junction limit)에 있다고 한다. 이러한 준위 개수는 조셉슨 접합의 양자정보 소자로서의 역량을 조절하는 중요한 변수가 될 수 있다. 본 연구팀은 겹층 그래핀의 이차 함수와 유사한 에너지 분산 관계를 이용하여 게이트 전압을 인가하면 초전도 결맞음 길이를 실시간으로 제어할 수 있다는 사실에 착안하여 연구를 진행하였다. 본 연구팀에서 기존에 개발한 터널링 분광법(tunneling spectroscopy)을 활용하여 다양한 게이트 전압에서 안드레예프 속박 상태를 실시간으로 변화함을 관측하는 데 성공하였으며 이론적 계산과도 잘 일치한다는 사실을 보였다.

Lee, Daesu Nano Letters

[이대수 교수 연구실] 원자층 격자 제어를 통한 비대칭 SrRuO3 박막의 자유장 SOT 자화 스위칭 연구

원자층 격자 제어를 통한 비대칭 SrRuO3 박막의 자유장 SOT 자화 스위칭 연구 논문정보: Nano Letters (https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c01788, online published) Caption: 원자층-수준으로 제어된 비대칭 SrRuO3 (a-SrRuO3) 박막의 원자 구조 및 스핀-궤도 토크 자화 스위칭 결과 Caption: Atomic structures and results of spin-orbit torque magnetization switching of atomic-scale controlled asymmetric SrRuO3 (a-SrRuO3) thin film 강자성과 스핀홀 효과를 동시에 갖춘 단일상 소재는 효율적인 스핀-궤도 토크 (SOT) 시스템을 구현할 수 있는 흥미로운 물질군으로 주목받고 있다. 하지만, 물질군의 희소성으로 인해 아직까지 많은 연구가 이루어지지 않았다. 이대수 교수 연구팀은 단일상 강자성/스핀홀 산화물 SrRuO3에서 고효율 자유장 스핀-궤도 토크(SOT) 자화 전환을 성공적으로 구현하였다. 특히, 이 연구 결과는 비대칭 표면 구조 제어와 이로 인한 스핀홀 효과의 불균형을 통해 단일층/자유장 조건에서 최고 효율과 최소 전력 소비를 보였다. 이 연구에서는 SrRuO3의 상층과 하층 표면 층의 국소 구조를 원자층 수준으로 정교하게 제어하여 단일 물질에서 고효율의 SOT를 구현하였다. SrRuO3 벌크의 우수한 준균일 단결정 특성은 유지하는 동시에, 상층과 하층 간의 스핀 홀 효과의 불균형을 유도하여 단일층 강자성 SrRuO3 내에서 알짜 SOT 작용을 가능케 한 것이다. 이번 연구는 '나노 레터스(Nano Letters)’ 최신호에 게재되었으며 [Nano Lett. (2024) (published online)], 새로운 SOT 메커니즘의 발견과 고효율의 상온 단일상 SOT 소재의 구현 가능성을 제시하였다. Current-induced spin-orbit torque (SOT) offers substantial promise for the development of low-power, non-volatile magnetic memory. Recently, a single-phase material concurrently exhibiting magnetism and spin Hall effect has emerged as a scientifically and technologically interesting platform for realizing efficient and compact SOT systems. Here, we demonstrate external-magnetic-field-free switching of perpendicular magnetization in a single-phase ferromagnetic and spin Hall oxide SrRuO3. We delicately altered the local lattices of the top and bottom surface layers of SrRuO3, while retaining a quasi-homogeneous, single-crystalline nature of the SrRuO3 bulk. This leads to unbalanced spin Hall effects between the top and bottom layers, enabling net SOT performance within a single-layer ferromagnetic SrRuO3. Notably, our SrRuO3 exhibits the highest SOT efficiency and lowest power consumption among all known single-layer systems under field-free conditions. Our method of artificially manipulating the local atomic structures will pave the way for advances in spin-orbitronics and the exploration of new SOT materials.

Kim, Dong Eon ‘빛: 과학과 응용 (Light: Science & Applications)’

[김동언 교수] 단주기 레이어장 활용한 원자내 전자 홀로그램 기본 패턴 추출 및 조작 Light Science & Applications 13, 108 (2024)

원자발생 전자 홀로그램, 베일을 벗다 - 원자, 분자의 초고속 이미징 초석을 놓다 - 단주기 레이어장 활용한 원자내 전자 홀로그램 기본 패턴 추출 및 조작 원자 및 분자의 기본 구조 정보를 가지고 있는 원자 전자 홀로그램을 밝혀내고 조작할 수 있음을 보였다. 이로써 원자와 분자의 초고속 이미징의 새로운 이정표를 세웠다. 포항공대, 한국 막스 플랑크 한국 포스텍 연구소 김동언 교수와 물리 수학 우한 연구소 라이(Lai) 교수팀이 원자 발생 전자 홀로그램의 기본 홀로그램 패턴으로 알려진 거미 다리(spider-leg) 및 물고기 뼈(fish-bone) 패턴을 각각 따로 명확하게 관찰하고 조작함으로써, 원자와 분자의초고속 영상화에 획기적인 성과를 거뒀다. 단일 사이클(single cycle) 레이저 펄스를 활용하여 거미 다리 모양과 물고기 뼈 모양 패턴뿐만 아니라 전자 홀로그램에 대한 구이(Gouy) 위상 효과를 식별해 내었다. 이로써 홀로그램 패턴에서 표적 분자의 핵 간 분리를 정확하게 추출할 수 있는 길을 열게 되었다. X선 회절과 같은 전통적인 이미징 방법은 분자 내 전자의 빠른 이동을 포착하는 데 한계가 있다. 새로운 접근 방식인 강력장 광전자 홀로그래피는 전례 없는 시공간 해상도를 제공하므로 기본 구성 요소에 대한 이해를 혁신시킬 것이다. 캐리어-엔벨로프 위상이 안정화된 단일 사이클 레이저 펄스를 사용함으로써, 사이클 간 간섭 영향을 제거하고, 기본 홀로그램 패턴을 명확하게 시각화하고 식별하였으며, 이로써 표적 분자 내의 전자 역학의 세부 사항을 밝힐 수 있었다. 단순화된 접근 방식, 흥미로운 가능성 김 동언 교수는 “ 최초로 이러한 패턴이 직접적으로 관찰되었습니다”고 설명하며, "이 새로운 접근 방식을 통해 아토초 단위(아토초는10억분의10억분의1초)로 전자의 행동을 제어할 수 있습니다“ 고 밝혔다. 연구자들은 표적 분자에 대한 구조적 정보를 추출함으로써, 이 방법의 유용성을 입증하였다. 결과는 화학, 생물학에서 재료 과학에 이르기까지 다양한 분야에 적용될 수 있다. 김 교수는 ” 중요한 것은 이 새로운 접근 방식이 여러 측정이 필요한 이전 방법보다 간단하다는 것입니다. 이 기술은 다른 기술들과 다양하게 결합하여 훨씬 더 정확한 제어와 통찰력을 제공할 수 있습니다. 분자 역학을 연구하고 화학 반응을 제어하는 데 흥미로운 길을 열었습니다.”라고 말했습니다. 이 연구 결과는 국제 학술지 ‘빛: 과학과 응용 (Light: Science & Applications)’에 최근 5월호에 게재되었으며 한국연구재단과 한국기술진흥원 역량개발사업의 지원을 받아 수행됐다. 단일 사이클 극한 기술을 이용하여 원자내 전자 홀로그램을 명확하게 축출하고, 전자 Gouy 위상을 식별. 이를 통해서 핵간 거리를 측정의 새로운 이정표 확립 논문명 : 준 주기 극한 기술을 활용한 강력장 광전자 홀로그래피 Strong-field photoelectron holography in the subcycle limit 연구자 : T. Khurelbaatar, J. Heo, S. Yu, X. Lai3,4, X. Liu3 and D. Kim

Kim, Jun Sung 켐(Chem)

[김준성 교수] 전도성 이차원 고분자 내 초고속 전자 관측 성공

- POSTECH·IBS 공동 연구팀, 전도성 이차원 고분자 내 초고속 전자 관측 성공 펜던트가 도입된 전도성 이차원 고분자(C2P-9)의 화학구조와 정공(P형) 도핑 시 초고속 전자와 공존함을 나타내는 모식도.[POSTECH 제공] [헤럴드경제=구본혁 기자] 포항공과대학교(POSTECH) 화학과 김기문 교수·심지훈 교수·물리학과 김준성 교수(기초과학연구원(IBS) 원자제어 저차원 전자계연구단) 공동 연구팀은 그래핀(graphene) 수준의 전자 이동속도를 갖는 전도성 이차원 고분자를 개발했다. 이번 연구결과는 화학 분야 국제학술지 ‘켐(Chem)’ 온라인판에 게재됐다. ‘꿈의 신소재’로 불리는 그래핀은 실리콘에 비해 전자 이동속도가 140배 빠르고, 강철보다 강도가 200배 높지만, 반도체로 사용할 수 없다. 반도체 재료는 전류를 통제하고 조절하기 위해 밴드갭(band gap)이 필요하다. 그래핀처럼 뛰어난 물성을 가지며 동시에 밴드갭을 확보하기 위해 다양한 연구들이 활발하게 진행되고 있고, 우수한 물성을 갖는 전도성 고분자 개발도 그 중 하나로 주목받고 있다. 뛰어난 물성을 확보하기 위해, 그래핀의 화학구조와 동일한 방향성 고리화합물 구조를 갖는 전도성 고분자가 연구되고 있지만, 합성 과정 도중 중간체 간 적층 현상이 발생해 고분자가 제대로 성장하지 못하는 문제가 있었다. 연구팀은 이번 연구에서 그래핀과 화학적으로 구조가 유사한 트리아자코로넨(triazacoronene)을 사용하고, 그 옆에 부피가 큰 펜던트(pendant) 작용기를 도입했다. 이 작용기는 입체장애(steric hindrance)를 통해 층간 적층을 막아주는 역할을 한다. 김기문(왼쪽부터), 김준성, 심지훈 교수, 이연상 박사.[POSTECH 제공] 연구팀은 이 펜던트 작용기의 도입을 통해 판상형 구조를 가진 트리아자코로넨 단량체의 중합 과정에서 이차원 고분자 중간체 간 적층을 억제하고, 중간체의 용해도를 증가시켜 중합도가 크고 결함이 적은 이차원 고분자를 합성하는 데 성공했다. 실험 결과, 연구팀이 합성한 고분자는 3200 cm2V-1s-1라는 매우 빠른 전자 이동속도를 보였으며, 이는 기존 전도성 이차원 고분자에 비해 약 100배 이상 빠른 속도다. 또 연구팀은 P형 도핑을 한 전도성 이차원 고분자에서 소량의 전자가 정공과 공존함을 확인했다. 일반적으로 P형 도핑으로 다수의 정공이 도입된 경우에는 소량의 전자가 존재했더라도 전자와 정공은 다니는 길이 서로 분리되어 있지 않기 때문에 재결합 되어 관측할 수 없었다. 그런데, 이들의 이동 경로를 분자 수준에서 제어해 처음으로 전자와 정공을 동시에 관찰한 것이다. 김기문 교수는 “유기반도체가 갖고 있던 고질적인 문제인 느린 전자 이동속도를 개선하고, 전자·정공의 전하 이동 경로를 분자 수준에서 제어하는 데 성공했다”며, “배터리나 촉매 등 다양한 산업에서 소재의 성능을 높이는 데 이번 연구가 활용될 수 있을 것”이라며 연구의 의의를 밝혔다.

Shin, Heedeuk Light: Science & Applications, 13, 90 (2024)

[신희득 교수] “주파수영역에서 NOON 얽힘상태 간섭” 발견

신희득 교수 연구팀 “주파수영역에서 NOON 얽힘상태 간섭” 발견 (NOON-state interference in the frequency domain) NOON 양자얽힘은 양자과학분야의 핵심기술로, 고전적 한계를 극복하는 초해상도(super-resolution)와 초민감도를 가질 수 있어 많은 관심을 받아왔다. 이번 연구에서 신희득 교수 연구팀은 기본적인 NOON 상태와는 다르게, 절반의 확률로 광자의 주파수를 바꾸는 주파수 광분할기를 이용하여 모든 광자를 하나의 경로로 이동시키되 두 개의 주파수 상태를 갖는 새로운 접근 방식을 구현하였고, 주파수 영역에서의 양자얽힘은 광자가 동일한 경로로 진행하는 특징으로 인해 기존 양자얽힘보다 우월한 안정성을 확인했다. 이번에 발견한 주파수기반 양자얽힘은 고유한 특성 덕분에 양자측정, 양자센싱, 양자통신 등 다양한 양자과학분야에서 응용될 수 있을 것으로 기대된다. 이 연구는 정보통신기획평가원의 양자암호통신 집적화 및 전송기술 고도화 사업과 대학ICT연구센터(ITRC)사업과 한국연구재단의 양자컴퓨팅기술개발사업으로 지원받았고, 광학 분야의 세계적 권위지인 Light: Science & Applications의 온라인판에 게재됐다. 논문 정보: Light: Science & Applications, 13, 90 (2024) 1. https://digitalchosun.dizzo.com/site/data/html_dir/2024/05/10/2024051080234.html (디지틀조선일보) 2. https://www.dongascience.com/news.php?idx=65350 (동아사이언스) 3. https://www.etnews.com/20240510000065 (전자신문) 4. https://www.kyongbuk.co.kr/news/articleView.html?idxno=4008699 (경북일보) 5. https://www.kyosu.net/news/articleView.html?idxno=119486 (교수신문) 6. https://www.yeongnam.com/web/view.php?key=20240511010001518 (영남일보)

Kyoung-Duck Park Nano Letters

[박경덕 교수] 초고감도 능동형 나노분광센서 원천기술 개발

전염병 바이러스, 분자지문으로 수 초만에 찾아낸다 - POSTECH·UNIST, 초고감도 능동형 나노분광센서 원천기술 개발 이번 연구를 수행한 POSTECH·UNIST 연구진. (중앙 왼쪽부터) POSTECH 이형우, 문태영, 주희태, 구연정 씨오른쪽_위부터 POSTECH 박경덕 교수, UNIST 김대식 교수, UNIST 서영덕 교수. [POSTECH 제공] [헤럴드경제=구본혁 기자] 포항공과대학교(POSTECH) 물리학과 박경덕 교수팀은 울산과학기술원(UNIST) 물리학과 김대식 교수, 화학과 서영덕 교수팀과 공동으로 잘 휘어지는 연성물질을 이용하여 빈틈제어가 자유자재로 가능한 ‘광대역 나노빈틈 금 분광센서‘를 개발했다. 이를 활용하면 전염병 바이러스 등 온갖 종류의 물질들을 단 하나의 나노분광센서만으로 분자지문을 찾아가며 빠르게 검사할 수 있다. 코로나와 같은 팬데믹 전염병의 충격은 향후 또다시 찾아올 잠재적인 바이러스 발생에 대비한 빠르고 정확한 분석 기술의 필요성을 강조하게 했다. 금 나노구조를 이용한 라만분광법은 ’분자지문‘이라 불리는 분자의 고유한 진동을 빛을 이용해 고감도로 측정하는 방식으로 물질의 내부 구조와 화학적 정보를 속속들이 제공한다. 따라서 바이러스 양성 여부를 판단하는 목적으로 중요한 역할을 할 수 있다. 하지만 기존 고감도 라만분광센서들은 하나의 소자로 한 종류의 바이러스만을 검출하기 때문에, 임상 적용을 고려할 때 생산성, 검출속도, 비용 측면에서 한계가 있다. 연구팀은 분자 하나가 겨우 들어갈 수 있는 수준의 금 나노빈틈을 수 밀리미터 길이의 1차원 구조로 제작하여 대면적 고감도 라만분광센싱이 가능하게 하고, 잘 휘어지는 연성물질을 금 나노빈틈 분광센서의 기판으로 접합시키는 연구에 성공했다. 이 기술을 통해 기존 나노빈틈을 바이러스가 들어갈 수 있는 수준의 너비로 늘리고, 바이러스를 비롯해 검출하는 물질의 크기와 종류에 따라 빈틈의 너비를 자유자재로 조절할 수 있게 된다. 단 하나의 센서로 원하는 물질을 맞춤형으로 검출할 수 있는 광대역 능동형 나노분광센서 원천기술 개발에 성공했다. 잘 구부러지는 유연 기판 위의 금 나노갭(gap) 간극 조절이 가능한 라만 센서.[POSTECH 제공] 더 나아가 제임스웹 망원경과 같은 우주광학 분야에 사용되는 적응광학 기술을 변형 적용하여 센서의 민감도와 제어성을 극대화시켰다. 추가적으로, 제작에 성공한 1차원 구조를 2차원 분광센서로 확장하는 개념적 모델을 정립, 이 경우 라만분광 신호를 약 수십억 배 증폭시킬 수 있음을 이론적으로 확인했다. 즉, 바이러스 양성 여부를 확인하는데 며칠이 걸리던 검사속도를 불과 몇 초만에 실시간으로 확인하는 것이 가능해진다는 뜻이다. 현재 특허출원이 된 연구팀의 성과는 코로나19처럼 예상치 못한 전염병이 발생할 경우, 고감도 실시간 검사를 통해 빠르게 대응하여 무차별적인 확산을 방지하는 목적으로 사용될 수 있을 것으로 예상된다. 문태영 POSTECH 석박통합과정은 “분자부터 바이러스까지 다양한 물질의 고유 성질을 규명하는 기초과학 연구뿐만 아니라, 앞으로 발생할 수 있는 다양한 신종 바이러스들을 맞춤형 단일센서를 통해 신속하게 탐지할 수 있는 실용적으로 중요한 연구”라고 설명했다. 이번 연구결과는 국제학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 최신호에 게재됐다.

Kyoung-Duck Park Nano Letters 24, 12 (2024)

[박경덕 교수] 적응형 나노갭 간극 조절 표면증강 라만센서 개발

국문 caption: 유연 기판과 1차원 금 나노갭을 결합한 광대역 고감도 라만 센서의 모식도. Figure caption. Illustration of broadband high-sensitivity Raman sensor combined with flexible substrate and 1D Au nanogap. 적응형 나노갭 간극 조절 표면증강 라만신호 분석법 개발 코로나와 같은 팬데믹 전염병의 충격은 향후 또다시 찾아올 잠재적인 바이러스 발생에 대비한 빠르고 정확한 분석 기술의 필요성을 강조하게 했다. 금 나노구조를 이용한 라만분광법은 ’분자지문‘이라 불리는 분자의 고유한 진동을 빛을 이용해 고감도로 측정하는 방식으로 물질의 내부 구조와 화학적 정보를 속속들이 제공한다. 따라서, 바이러스 양성 여부를 판단하는 목적으로 중요한 역할을 할 수 있다. 하지만, 기존의 고감도 라만분광센서들은 하나의 소자로 한 종류의 바이러스만을 검출하기 때문에, 임상 적용을 고려할 때 생산성, 검출속도, 비용 측면에서 한계가 있다. 연구팀은 분자 하나가 겨우 들어갈 수 있는 수준의 금 나노빈틈을 수 밀리미터 길이의 1차원 구조로 제작하여 대면적 고감도 라만분광센싱이 가능하게 하고, 잘 휘어지는 연성물질을 금 나노빈틈 분광센서의 기판으로 접합시키는 연구에 성공하였다. 이 기술을 통해 기존 나노빈틈을 바이러스가 들어갈 수 있는 수준의 너비로 늘리고, 바이러스를 비롯해 검출하는 물질의 크기와 종류에 따라 빈틈의 너비를 자유자재로 조절할 수 있게 하여, 단 하나의 센서로 원하는 물질을 맞춤형으로 검출할 수 있는 광대역 능동형 나노분광센서 원천기술 개발에 성공했다. 더 나아가 제임스웹 망원경과 같은 우주광학 분야에 사용되는 적응광학 기술을 변형 적용하여 센서의 민감도와 제어성을 극대화시켰다. 추가적으로, 제작에 성공한 1차원 구조를 2차원 분광센서로 확장하는 개념적 모델을 정립하였는데, 이 경우 라만분광 신호를 약 수십억 배 증폭시킬 수 있음을 이론적으로 확인하였다. 즉, 바이러스 양성 여부를 확인하는데 며칠이 걸리던 검사속도를 불과 몇 초만에 실시간으로 확인하는 것이 가능해진다는 뜻이다. 논문의 제1저자인 문태영 씨는 "분자부터 바이러스까지 다양한 물질의 고유 성질을 규명하는 기초과학 연구뿐만 아니라, 앞으로 발생할 수 있는 다양한 신종 바이러스들을 맞춤형 단일센서를 통해 신속하게 탐지할 수 있는 실용적으로 중요한 연구"라며 이번 성과의 의미를 설명했다. 해당 연구는 국제학술지 Nano Letters에 최근 개제됐다.

Kyoung-Duck Park Physical Review Letters 132, 133001 (2024)

[박경덕 교수] 빛-물질 혼종입자인 폴라리톤 상온 전기적 제어 성공

국문 caption: 전기장 탐침증강 강한결합 분광법을 이용하여 폴라리톤 입자를 전기적으로 제어하는 그림. Figure caption: Illustration of electrically controlled polaritons through electric-field tip-enhanced strong coupling spectroscopy. 빛-물질 혼종입자인 폴라리톤 상온 전기적 제어 성공 폴라리톤은 빛 입자인 광자의 특성과 고체물질의 특성을 동시에 가지는 ’반 빛-반 물질‘의 혼종 입자이다. 이 입자는 기존 광자 혹은 고체물질과는 완전히 다른 특수한 성질을 가지므로, 광디스플레이 산업의 성능한계를 극복할 수 있는 혁신적인 차세대 소재로 주목받는다. 하지만, 현재 기술로는 상온에 존재하는 폴라리톤을 단일입자 수준에서 전기적으로 제어하는 것이 불가능하기 때문에 상용화의 한계에 부딪혀 있다. 연구팀은 ’전기장 탐침증강 강한결합 분광법‘이라는 새로운 방식의 초고분해능 전기제어 광측정 기술을 개발하여 상온에 존재하는 단일 폴라리톤 입자의 성능을 능동적으로 제어할 수 있었다. 이 기술은 박경덕 교수팀이 기존에 발명한 초고분해능 현미경 기술에 초정밀 전기제어 기술을 융합한 새로운 개념의 측정 기법이다. 이 새로운 장비를 통해 강합결합이라 불리는 특수한 물리적 상태를 가지는 폴라리톤을 상온에서 안정적으로 생성할 수 있을 뿐만 아니라, 전기를 이용해 폴라리톤 입자가 발생시키는 빛의 색깔과 밝기를 자유자재로 바꿀 수 있다. 만약 QLED 텔레비전의 핵심 소재인 양자점 대신 폴라리톤 입자를 사용한다면, 빨강-초록-파랑의 빛을 각각 발생시키는 세 종류의 양자점을 사용할 필요없이 하나의 폴라리톤 입자로 모든 색깔의 빛을 훨씬 더 높은 밝기로 낼 수 있으며, 이 특성을 기존 전자제품처럼 전기적으로 간단하게 제어할 수 있다. 학술적인 측면에서는, 폴라리톤 입자 발견 이후 아직까지 미궁으로 남아있던 강한결합 영역에서의 양자구속 스타크효과를 이론적으로 정립하고 실험적으로 규명하는 데 성공했다. 연구팀의 성과는 폴라리톤 기반 다양한 광전자 소자와 광학 부품을 개발하는 차세대 연구의 발판이 되는 과학적 발명을 했다는 데 큰 의미가 있다. 특히, 매우 밝은 초소형 야외 디스플레이 등 광디스플레이 산업 전반에서 혁신적인 제품들을 개발하는데 필요한 핵심원천기술이므로 산업 발전에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 예상된다. 한편, 연구에 사용된 양자점 제작에는 성균관대 정소희 교수팀과 임재훈 교수팀, 이론 모델 정립은 미해군 연구소의 알렉산더 이프로스 교수, 데이터 분석에는 콜로라도 대학교 마커스 라쉬케 교수팀과 메릴랜드 대학교 메튜 팰튼 교수팀이 참여했으며, POSTECH 물리학과의 구연정, 배진혁, 강민구, 문태영, 주희태씨가 측정 연구를 함께 수행하였다. 이번 연구는 물리학 분야 국제 학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’에 최근 게재됐으며, 연구수행은 삼성미래기술육성사업의 지원으로 수행됐다.

Kyoung-Duck Park Light: Science and Applications 13, 30 (2024)

[박경덕 교수] 빛 물질 상호작용 능동제어에 대한 리뷰

Caption: (a) 능동형 나노현미경으로 저차원 양자 물질의 다양한 광특성을 제어하는 모습. (b) 능동형 나노현미경의 세가지 주요 접근법, 캐비티-갭 제어, 압력 제어, 그리고 근접장 편광 제어. 탐침 증강 나노현미경을 통한 분광 및 이미징 기술은 저차원 양자 물질에 대한 물리적 이해를 현저히 발전시켰으며, 광학 분해능을 넘어 빛과 물질 간 상호작용에 대한 깊은 통찰력을 제공하고 있다. 최근에는 탐침에 다양한 기능을 추가하여 나노현미경의 성능을 확장하고, 나노 스케일에서 빛-물질 상호작용을 능동적으로 제어할 수 있는 기술이 발전하였다. 본 리뷰에서는 이미징 및 분광의 전통적인 현미경 역할을 넘어서, 측정과 동시에 물질의 전기적, 물리적, 광학적 특성을 직접 제어하는 나노현미경의 패러다임 전환을 다룬다. 능동형 나노현미경의 세 가지 주요 접근법인 캐비티-갭 제어, 압력 제어, 그리고 근접장 편광 제어를 소개한다. 정밀한 캐비티-갭 제어를 통해 캐비티-발광체의 약한 결합에서 강한 결합 영역으로의 전환, 그로인한 다양한 준입자 광방출에 대해 논했다. 뿐만 아니라, 탐침 유도 압력 및 근접장 편광에 의해 제어되는 양자 물질의 밴드갭, 결정 구조, 광발광 양자 수율, 전하 밀도, 그리고 에너지 전달에 대해 다루고 있다. 본 리뷰는 나노스케일 빛-물질 상호작용의 물리학적 이해뿐만 아니라 미래 기술 발전을 위한 나노포토닉스, 플라즈모닉스, 및 재료 과학 분야에 중요한 기여를 할 것으로 기대된다.