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.

Kim, Jun Sung 네이처 커뮤니케이션즈

[김준성 교수] 위상 자성 반도체의 스핀물성 원리 규명

포스텍-서울대, 위상 자성 반도체의 스핀물성 원리 규명 포스텍(POSTECH)은 김준성 물리학과 교수(기초과학연구원 원자제어 저차원 전자계 연구단)와 김기훈 서울대 물리학과 교수 공동연구팀이 위상학적으로 특이한 전자상태를 이용해 자성 반도체의 스핀 물성을 조절하는 새로운 원리를 제시했다고 3일 밝혔다. 위상 자성 반도체는 위상학적으로 특이한 전자상태, 즉 위상 전자 상태를 가지면서 동시에 자성을 띠는 새로운 반도체 물질이다. 위상 전자 상태가 없는 기존 자성 반도체와 다른 특이한 전자기적 물성을 나타내 향후 스핀트로닉 분야를 이끌 소재로 주목받고 있다. 하지만, 위상 자성 반도체 후보 물질이 매우 드물어 연구가 부족하다. 왼쪽부터 김준성 포스텍 교수, 권창일 연구원, 레스타 아궁 수실로 연구원, 김기훈 서울대 교수, 이윤한 서울대 연구원 김준성 교수 연구팀은 이러한 위상 자성 반도체의 전기적 특성을 조사하는 연구를 이어오고 있다. 2021년 위성 자성 반도체인 망간 실리콘 텔루라이드 화합물의 전기 저항이 스핀 방향에 따라 최대 10억배까지 바뀌는 현상을 학계에 보고한 바 있다. 이번 연구에서는 이 물질에 외부 압력을 걸어 위상 전자 상태를 체계적으로 조절하고 반도체-금속 상전이를 유도하는 실험을 진행했다. 실험 결과, 반도체-금속 상전이 과정에서 이상홀 효과가 급격하게 커지는 등 물질의 전기전도 특성이 변화했으며, 동시에 스핀 정렬 방향이 평면 방향에서 수직 방향으로 급격하게 바뀌는 스핀 재정렬 전이가 발생했다. 위상학적인 전자상태의 강한 스핀-궤도 결합이 스핀 정렬 상태에 영향을 미쳐 물질의 자성을 변화시킨 것이다. 이처럼 압력을 이용해 자성 반도체의 위상 전자 상태를 조절하고, 독특한 스핀 물성 변화를 관측한 것은 이번이 처음이다. 김준성 교수는 “위성 자성 반도체의 위상학적 전자상태와 전자기적 물성 간의 관계를 이해하고, 이를 스핀트로닉 기술에 활용하는 데 이번 연구가 중요한 발판이 될 것으로 기대한다”고 말했다. 과학기술정보통신부 중견연구사업과 우수연구자교류지원사업 기초과학연구원 등 지원을 받아 수행된 이번 연구는 최근 국제 학술지인 '네이처 커뮤니케이션즈' 온라인판에 게재됐다.

Lee, Daesu Nano Letters

[이대수 교수] ‘전자 스핀’ 활용하는 차세대 메모리, 원자 구조 조절해 효율 개선

국내 연구팀이 원자 구조를 미세하게 조절해 차세대 고효율 메모리 소재의 문제를 해결했다. 포스텍은 이대수 물리학과 교수팀과 최시영 신소재공학과 교수팀이 메모리 소재로 쓰이는 산화물의 원자 격자 구조를 조절해 스핀-궤도 토크(SOT)에 의한 자화 전환을 효율적으로 구현하는 데 성공하고 연구결과를 지난달 29일 국제학술지 '나노 레터스'에 공개했다고 24일 밝혔다. 스핀-궤도 토크(SOT, spin-orbit torque)는 전자의 스핀(자기적 성질)과 운동(전기적 성질) 사이 상호작용으로 발생하는 현상이다. 전류가 흐를 때 스핀의 움직임을 통해 자기 상태를 제어하면 이를 정보 저장에 활용할 수 있다. 전원이 없어도 정보가 사라지지 않는 비휘발성 고효율 메모리를 만들 수 있어 최근 반도체와 금속 등 다양한 소재를 활용한 SOT 연구가 활발하다 SOT를 구현하기 위해서 자성과 스핀 홀 효과가 동시에 나타나는 소재를 찾아야 한다. 홀 효과는 전류가 흐르는 방향에 수직으로 자기장을 가하면 전하가 휘면서 전류와 자기장에 모두 수직한 방향으로 전압이 걸리는 현상을 말한다. 이와 비슷하게 스핀 홀 효과는 전기장에 수직한 방향으로 스핀의 흐름인 '스핀 전류'가 흐르는 현상이다. 기존 소재에서는 단일층 내에서 발생한 서로 반대 방향의 스핀 전류가 상쇄돼 사라지는 것이 해결 과제였다. 연구팀은 자성과 스핀 홀 효과가 동시에 나타나 SOT 연구에서 많이 사용되는 산화물인 루테륨산 스트론튬(SrRuO3)의 구조를 비대칭으로 바꿔 문제를 해결했다. SrRuO3의 위아래 원자 격자 구조를 미세하게 조절해 상하층 사이에 서로 다른 스핀 홀 효과를 내도록 한 것이다. 비대칭 표면 구조로 스핀 홀 효과에 불균형이 생기자 특정 방향으로 자기적인 성질을 제어할 수 있게 됐다. 비대칭 SrRuO3을 기반으로 만든 소자에서는 전류만으로 자기장 방향을 바꿔 데이터를 읽고 쓸 수 있었다. 연구팀이 만든 메모리 소자는 지금까지 알려진 같은 방식의 시스템과 비교해 효율이 최대 130배 높고 전력 소비는 최대 30배 적었다. 연구팀은 "SrRuO3의 기존 물성은 유지하면서 자기장 없이도 자화 전환(switching)에 성공한 것"이라고 설명했다. 이대수 교수는 "비대칭 SrRuO3는 강자성과 스핀 홀 효과 간 상호작용을 연구할 수 있는 중요 플랫폼"이라며 "후속 연구를 통해 새로운 SOT 메커니즘을 발견하고 고효율 소재를 구현하겠다"고 전했다. <참고 자료> - doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c01788

Lee, Hyun-Woo Nano Letters

[이현우 교수] 반도체 발열 문제, 양자 파동으로 해결한다

한국과학기술원(KAIST)과 포스텍(포항공대) 공동 연구진이 발견한 2D(평면) 반강자성체에서 나타나는 '마그논 오비탈 홀 효과'의 모식도. 발열로 에너지 손실이 나타나는 정보처리 분야에서 활용할 수 있을 것으로 기대된다./한국과학기술원 국내 연구진이 차세대 반도체 기술인 스핀트로닉스와 오비트로닉스의 단점을 보완할 기술을 개발했다. 김세권 한국과학기술원(KAIST) 물리학과 교수와 이현우 포스텍(포항공대) 물리학과 교수가 이끄는 공동 연구진은 전자의 발열 없이 정보 전달이 가능한 ‘마그논’의 새로운 움직임을 관찰하는 데 성공했다고 17일 밝혔다. 기존 정보처리 기술은 전자를 이용해 정보를 처리하기 때문에 에너지가 많이 손실된다. 전자가 도체를 이동하면서 발생하는 저항에 의해 에너지가 열로 바뀌어 사라지기 때문이다. 전자의 전기량인 전하와 자기적 회전인 스핀을 함께 활용하는 스핀트로닉스, 전자의 위치를 의미하는 오비탈을 이용하는 오비트로닉스 같은 차세대 반도체 기술이 모두 같은 문제를 가지고 있다. 최근에는 양자화된 파동인 ‘마그논’을 이용해 이 같은 문제를 해결할 수 있을 것이라는 기대가 나오고 있다. 부피와 질량이 있는 전자를 이용하면 발열이 생기지만 파동을 이용하면 발열 없이 정보처리가 가능하다. 다만 아직 마그논의 움직임에 대한 연구가 부족해 이를 반도체 같은 정보처리 기술에 적용하기에는 어려운 상황이다. 연구진은 2D(평면) 물질에서 세계 최초로 ‘마그논 오비탈 홀 효과’를 발견했다. 마그논 오비탈 홀 효과는 스핀 파동이 양자화돼 진행 궤적이 휘어지는 현상이다. 2010년 처음 발견돼 이전에는 모르던 새로운 마그논의 움직임으로 확장한다는 점에서 큰 주목을 받았다. 이전에는 전자의 회전 운동인 스핀 자유도만 이용할 수 있었으나 새로운 움직임으로 정보처리가 가능하다는 점에서 중요성이 크다. 연구진은 벌집 모양의 격자 구조를 이루는 삼황화린망간(MnPS₃)에서 강한 마그논 오비탈 홀 효과가 나타난다는 것을 확인했다. 삼황화린망간은 2D(평면) 반강자성체로 마그논 오비탈 효과가 확인된 것은 이번이 처음이다. 반강자성체는 인접한 원자의 전자 스핀이 정 반대로 자성이 없는 물질이다. 스핀트로닉스와 오비트로닉스를 구현할 수 있는 재료로 주목 받고 있다. 김 교수는 “마그논 오비탈과 수송이론의 정립은 아직 세계적으로 아무도 시도하지 않은 독창적이고 도전적인 문제”라며 “기존 정보처리 기술의 한계를 혁신적으로 뛰어넘는 초저전력 오비탈 기반 정보처리 기술의 기틀을 세울 수 있을 것ˮ이라고 말했다. 연구 결과는 국제 학술지 ‘나노 레터스’에 지난달 29일 소개됐다. Nano Letters(2024), DOI: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c00430

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.