Kyoung-Duck Park Light: Science & Applications 12, 59 (2023)

[박경덕 교수 연구실] 이종접합 2차원반도체 층간엑시톤 제어 나노현미경 개발

플라즈모닉 탐침을 이용해 TMD 이종접합구조에 존재하는 엑시톤과 층간엑시톤, 층간트라이온을 제어하는 나노현미경의 모식도 이종접합 2차원반도체 층간엑시톤 제어 나노현미경 개발 이종접합물질의 층간엑시톤은 일반적인 엑시톤과 같이 반도체 특성의 광발광 현상을 일으킨다. 전기적으로 중성인 준입자 상태에서 빛과 물질 간 전환이 자유로워 발열이 적은 차세대 반도체 소자로 응용할 수 있는 것은 물론, 기존 엑시톤에 비해 결맞음시간이 매우 길어 양자정보통신 광원으로도 활용될 수 있다. 하지만, 층간엑시톤은 상온에서 발광효율이 매우 낮고 발광에너지의 변조가 어렵다는 과제를 안고 있다. 선행연구에서 엑시톤 나노공간제어 원천기술을 제시한 바 있는 박경덕 교수팀은, 기가파스칼(GPa) 수준 압력과 근접장 세기로 조절가능한 다기능 탐침증강 나노현미경을 개발했다. 이 현미경은 층간엑시톤의 발광효율을 약 9,000배 증가시키고 발광에너지(빛의 색깔)의 능동적인 변조를 가능하게 했다. 여기에 탐침기반 핫 전자(hot electron) 주입 기술을 더해 층간엑시톤과 층간트라이온 사이의 준입자 변환을 자유자재로 제어하는데 세계 최초로 성공할 수 있었다. 이번 성과의 최대 장점은 상온 상압 조건에서 물성을 능동적으로 제어하는 것은 물론, 빛의 파장보다 훨씬 짧은 약 20nm의 공간분해능으로 반도체입자의 광학적 특성을 실시간으로 분석할 수 있다는 것이다. 차세대 물질로 활발하게 연구가 이루어지고 있는 이종접합 2차원 반도체의 다양한 응용 가능성을 연 것으로 평가받는 이 결과는 계측장비 개발의 기초연구를 통해 이루어졌다는 점에서 더욱 학계의 주목을 모았다. 또, 이 기술은 고휘도 초박막 웨어러블 광전자소자 등의 개발에 활용될 것으로 기대되며, 특히 미국과 일본, 중국 등에서 반도체 장비의 시장 선점을 위해 기술 장벽을 구축하고 있는 현시점에서는 더욱 의미가 있다. 물리학과 박경덕 교수 · 통합과정 구연정, 이형우 씨, 러시아 ITMO대 바실리 크랍초프(Vasily Kravtsov) 교수 공동 연구팀이 주도한 이번 연구는 국제학술지 Light: Science & Applications에 최근 게재됐다.

Kyoung-Duck Park Nano Letters 23, 198 (2023)

[박경덕 교수 연구실] 2차원 양자물질의 암흑엑시톤 상온 나노이미징 성공

caption: 단일층 WSe2의 나노버블구조에서 관찰된 엑시톤과 암흑엑시톤의 나노이미징 결과. (a) 표면형상, (b) 변형률 공간분포, (c) 엑시톤 공간분포, (d) 암흑엑시톤 공간분포. 파란색 점선 영역(e)과 빨간색 점선 영역(f)의 엑시톤과 암흑엑시톤의 PL 세기 및 변형률 변화. 2차원 양자물질의 암흑엑시톤 상온 나노이미징 성공 암흑엑시톤은 발광 지속시간과 결맞음 시간이 일반적인 엑시톤에 비해 약 1000 배 정도 길기 때문에 양자컴퓨터와 양자정보 처리의 기본 연산단위인 양자비트를 안정적으로 구현할 수 있는 후보군으로 주목받고 있다. 하지만 암흑엑시톤은 독특한 스핀구조에 의해 발광이 억제되어 있기 때문에 현재까지의 기술로는 주로 극저온에서만 발광 현상이 관찰됐으며 이는 양자비트를 비롯한 양자 광집적회로 등의 다양한 양자 소자로의 응용 가능성을 크게 제한하였다. 본 연구에서는 금 나노구조를 이용한 초고효율의 나노광학 안테나 기술을 개발하여 2차원 반도체 물질의 버블구조에서 strain에 의한 암흑엑시톤의 상온 발광 현상이 관찰됨을 증명하였다. 또한 나노광학 안테나 탐침의 압력 제어를 통해 암흑엑시톤의 발광특성을 약 15 nm의 공간영역에서 스위칭과 변조하는 광양자소자를 제시하였다. 그림에서 제시된 바와 같이 암흑엑시톤의 상온 발광 현상은 strain이 가해진 나노버블구조에서 주로 관찰되는데 그 이유는 strain이 가해진 크리스탈의 경우 편평한 상태에 있는 크리스탈에 비해 스핀플립이 발생할 확률이 높기 때문으로 생각된다. 버블에서 발생하는 암흑엑시톤은 compressive strain와 tensile strain 모두에서 발생하므로 이와 같은 해석은 타당한 것으로 생각되며, 탐침으로 버블을 누를 경우 암흑엑시톤의 발광 세기가 달라지므로 이를 암흑엑시톤 상온 발광 제어 다비이스로 활용 가능하다. 본 연구는 물리학과 박경덕 교수와 University of Colorado at Boulder의 Markus Raschke 교수팀과의 공동연구를 통해 진행되었으며, 국제학술지 Nano Letters에 2023년 1월 게재되었다.

Kyoung-Duck Park Nature Communications 13, 4133 (2022)

[박경덕 교수 연구실] 상온에서 1나노미터 단일분자 자세 변화 관측

Caption: (좌) 탐침증강 나노현미경을 이용해 금과 산화알루미늄 층 사이에 갇힌 분자를 관찰하는 것을 묘사하는 그림. (우) 분자의 배향에 따라 분자의 진동모드가 변하는 것을 시각화한 그림. 상온에서 1나노미터 단일분자 자세 변화 관측 공기에 노출된 분자는 주변 환경과 수시로 화학적 반응을 일으키고 끊임없이 움직인다. 이 때문에 ‘분자 지문’이라고 불리는 라만 산란 신호를 검출하기 매우 어렵고, 분자를 영하 200℃ 이하로 얼려 가까스로 신호를 검출하더라도 단일분자 고유의 특성을 규명하는 데 한계가 있다. 연구팀은 금 박막을 입힌 기판 위에 단일분자를 올리고, 매우 얇은 산화알루미늄(Al2O3)층을 그 위에 이불처럼 덮어 ‘꽁꽁’ 묶었다. 금과 산화알루미늄 사이에 갇힌 분자는 주변 환경과 분리돼 화학반응을 일으키지 않는 데다가 움직임 또한 억제됐다. 이렇게 고정된 분자는 연구팀이 개발한 초고감도 탐침증강 나노현미경을 통해 관측됐다. 개발된 나노현미경을 이용하면 날카로운 금속 탐침의 광학 안테나 효과*2 덕택에 단일분자의 미세한 광신호도 정확히 검출할 수 있고, 이를 통해 일반적인 광학현미경의 해상도 한계(약 500nm)를 훨씬 뛰어넘어 1nm 크기의 단일분자가 누워있는지 서 있는지의 자세 변화를 명확하게 구분할 수 있다. 이 연구성과는 난치병의 원인 파악과 치료법 개발의 실마리가 될 연구로 학계의 주목을 받는다. 질병의 원인이 되는 단백질이나 DNA의 분자 배향(Conformation)을 나노미터 수준까지 샅샅이 살펴볼 수 있어서다. 이뿐만 아니라 시료 위에 얇은 층을 덮는 방식이 매우 간단한 데다가 상온 또는 고온에서도 적용할 수 있어 그 응용 가능성이 무궁무진하다. 본 연구는 물리학과 박경덕 교수·통합과정 강민구 씨와 UNIST 화학과 서영덕 교수의 주도하에 이루어졌으며 UNIST 주희태 연구원, POSTECH 물리학과 통합과정 구연정·이형우 씨 등이 참여했다. 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 최근 게재된 이 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 이뤄졌다.

Gil young, Cho Nano Letters(2022)

[조길영 교수 연구실] 비틀린 이중 그래핀의 고온 엑시톤 응축 현상 연구

Caption: 비틀린 이중 그래핀의 엑시톤 응축 현상을 담은 상도표 비틀린 이중 그래핀의 고온 엑시톤 응축 현상 연구 2차원 강상관 물질의 핵심은 흥미로운 창발 현상의 발견과 이해라 할 수 있다. 특히 전자와 홀(hole)이 서로 쌍을 이루는 엑시톤의 응축 현상은 초전도 현상과 더불어 강상관 물질계가 보여주는 창발 현상의 대표적 예시라 할 수 있으며, 30여년에 걸쳐 활발히 연구되었다. 이중층으로 구성된 양자 홀 시스템은 이러한 엑시톤 응축 현상 관측에 최적의 물질계라 할 수 있는데, POSTECH 조길영-POSTECH 이길호-DGIST 김영욱 교수 연구팀은 기존 연구보다 몇 십에서 몇 백배 높은 응축 상전이 온도(Condensate Critical Temperature)를 갖는 고온 엑시톤 응축 상태를 구현하는데 성공하였다. 이러한 연구 성과는 비틀린 그래핀의 전자가 가지는 운동 에너지와 상호 작용 에너지의 특성을 활용한 것(서로 다른 층 간의 낮은 터널링 효과, 매우 큰 쿨룽 상호작용 등)이라 할 수 있는데, 이러한 특징은 장차 엑시톤 응축보다 더욱 특이하고 유용한 양자 홀 상태의 구현과 창발 현상의 유도 등에 활용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

Kim, Jun Sung Nature Communications volume 13, Article number: 7188 (2022)

[김준성 교수]위상 양자 효과를 극대화하는 새로운 물질 발견

Caption: 새로운 위상물질 SrAs3의 결정구조(왼쪽 위)와 도핑 농도가 정밀하게 조절된 SrAs3 단결정(왼쪽 아래). 위상마디선 준금속에서 예상되는 도넛 모양(원환면 형태)의 등에너지면 전자구조(오른쪽 아래)와 양자역학적인 텍스쳐(오른쪽 위)가 이번 연구를 통해 확인되었다. 위상 양자 효과를 극대화하는 새로운 물질 발견 수학적 개념이었던 ‘위상학(Topology)’이 물질의 전자상태를 이해하는 데에도 유용하게 활용된다는 점이 제안된 이래 ‘위상물질’에 대한 연구는 최근 전세계적으로 가장 주목받는 연구 분야 중 하나이다. 이러한 위상학적 안정성을 활용하면 외부 잡음에 강하고 에너지 손실도 적으면서도 정보 손실 없는 양자 정보 소자를 구현할 수 있어 최근 전 세계적으로 연구가 활발히 이뤄지고 있다. 특히 위상물질 중 위상마디선 준금속은 위상학적인 특이점이 선(line) 형태로 길게 이어져있어 외부 전자기장에 대해 민감하게 반응하며 더 강한 양자 효과가 있을 것으로 예측된다. 그러나, 대부분의 후보물질은 위상학적으로 특이한 전자상태와 그렇지 못한 보통의 전자상태가 공존하고 있어, 위상 전자상태에서 나타나는 고유한 양자전도 효과를 관찰하기 매우 어려웠다. 포항공과대학교 물리학과 김준성 교수를 비롯한 국내 공동 연구진은 위상물질인 스트론튬-비소 화합물 (SrAs3)을 합성하고 위상 전자상태에서 나타나는 고유한 양자전도 효과를 최초로 관측하였다. 연구진은 보통의 전자상태가 공존하지 않도록 스트론튬-비소 화합물(SrAs3)의 도핑농도를 정밀하게 조절하며 고품질의 단결정을 합성하였고, 위상학적으로 특이한 전자상태만이 유일하게 전도특성에 기여한다는 점을 실험적으로 확인하였다. 나아가, 연구진은 해당 위상물질에서 전기 저항이 감소되는 2차원 약한 반국소화 현상이 나타나는 것도 확인하였다. 3차원 물질에서도 2차원 양자전도 특성이 발현되는 현상은 위상학적인 특이점이 선 형태로 이어져 있는 위상물질의 독특한 특성으로 이해될 수 있다. 이론적으로만 예상되었던 위상마디선 전자상태의 고유한 특성이 관측된 것은 이번이 처음이다. 그동안 적합한 물질이 없어 위상마디선 전자상태의 독특한 성질을 연구하는 것이 매우 어려웠던 환경에서, 이번 연구는 차세대 정보 소자에 활용 가능한 중요한 소재를 확보한 데 그 의의가 있다. 이번 연구는 다양한 위상물질 연구의 기반을 마련할 뿐 아니라 향후 차세대 정보 소자 활용에 첫 단추가 될 것으로 기대된다. 이번 연구성과는 저명 국제학술지 ‘네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 17.694)’지에 11월 25일(한국시간) 온라인 게재됐다.

Kim, Dong Eon Light: Science & Applications (Sept. 2022)

[김동언 교수 연구실] Complete characterization of ultrafast optical fields by phase-preserving nonlinear autocorrelation

caption : Concept of the unbalanced-intensity nonlinear interferometric autocorrelation (IAC). a A collinear Mach-Zehnder interferometer is modified by inserting a variable neutral-density (ND) filter into one arm to adjust its relative field amplitude (balance factor s) before nth-order harmonic generation. The residual fundamental is removed via a short-pass filter and only the harmonic radiation is recorded as a function of the delay by a spectrally integrating detector such as a photodiode. BS: beam splitter, FS: fused silica plate for dispersion matching. b Time-domain relationship between an exemplary optical field (red, left panel) and the resulting unbalanced-intensity nonlinear IAC (right panel), consisting of cross-correlation components (denoted by star operators, middle panel) between different field powers (left panel). c Frequency-domain representation of b showing spectral magnitudes (solid lines) and phases (dotted lines). 제목: Autocorrelation now reveals the complete electric field of the shortest pulses of light 극고속 광원의 급속한 발전과 무수한 과학 및 산업 응용 분야에서의 엄청난 성공은 극고속 레이저 펄스의 전기장의 정확한 측정으로 가능했다. 극고속 레이저 펄스의 시간 특성 측정은 더 짧은 샘플링 과정없이 극고속 전기장 파형을 추적해야 하는 역설적인 문제를 안고 있다. 지금까지 비선형 자기 상관 측정에서 펄스를 자체 게이트(또는 "샘플") 로 사용하여 시간 정보를 간접적으로 얻었는데, 이 방법은 펄스 모양이 알려져 있다고 가정할 때 펄스 시간을 측정하는 데 유용하다. 이 측정 방법에서는 펄스 스펙트럼 위상이 손실되기 때문에 실제 펄스의 구체적인 정보를 확보할 수 없었다. 손실된 스펙트럼 위상을 재구성하거나 직접 감지하기 위해 추가적인 분광 측정 등 다양한 정교한 광학 계측 방법이 개발되었고, FROG 또는 SPIDER 방법이 가장 널리 알려진 방법이다. 그런데 이 방법 등은 자기 상관 측정 장치에 비해 실험적 복잡성을 추가될 뿐만이 아니라 분광학적으로 접근할 수 있는 광학 필드의 경우에만 사용될 수 있다. 따라서 좀더 보편적이고, 간단한 정밀 측정이 요구되고 있다. 포항공과대학교, 막스플랑크 POSTECH/Korea Res., 부산대학교 연구팀은 추가적인 분광 측정 없이 스펙트럼 위상 정보를 보존하는 간단한 불균형 비선형 간섭계 자기 상관 기술을 개발하고, 극고속 레이저 전기장의 완전한 재구성이 가능하다는 것을 실험적으로 구현하고, Light: Science & Applications 9월호 발표하였다, . “기존의 자기 상관 측정에서는 광 펄스 의 두 개의 동일한 복사본을 사용하여 펄스를 자체적으로 게이트합니다. 두 펄스는 구별할 수 없으므로 시간 영역에서 대칭성이 유지되고, 주파수 영역에서 스펙트럼 위상 정보가 손실됩니다. 펄스 중 하나를 약하게 함으로써 이 동일성을 깨게 되면, 스펙트럼 위상 정보를 보존할 수 있습니다.” 라고 Gliserin 박사는 설명한다. 김승철 교수는 “흔히 사용되는 극고속 펄스의 경우에는, 스펙트럼 위상 정보가 보존된 불 균형 자기 상관 신호를 간단하고 빠른 수치 알고리즘으로 풀 수 있다. 극고속 광학 계측 방법을 명명 하는 전통에 따라, 이 새로운 기술을 PENGUIN(Phase-Enabled Nonlinear Gating with Unbalanced INtensity )이라고 부릅니다.” 수 주기 (~6-fs) 레이저 펄스에 대해서, 잘 확립된 FROG 기술로도 측정하고 상호 비교하여 매우 우수한 일치를 확인함으로써 새로운 기술을 실험적으로 벤치마킹하고 검증했다. “사실상 기존의 모든 비선형 간섭계 자기 상관 시스템은 이제 PENGUIN 기술을 사용하면 완전한 광학 필드 특성 분석에 사용될 수 있습니다. 분광계가 필요 없고 FROG 또는 SPIDER와 같이 복잡할 필요가 없습니다. 원래 우리의 목표는 분광학적으로 접근할 수 없는 광학 전기장에 대한 뛰어난 계측 기술을 개발하는 것이었습니다. 이러한 좋은 예는 나노구조의 극고속 플라즈몬 근거리장이며, 이는 비방사성이므로 이전 분광학 기반 특성 분석방법으로는 접근이 어려우나, 비선형 광전자 방출을 통해 쉽게 얻을 수 있습니다. PENGUIN 기술을 도입하면, 지금까지 불가능했던 극고속 비방사 전기장을 정확하게 측정할 수 있게 됩니다. 따라서 PENGUIN 기술은 빛 물질 상호 작용의 새롭고 영역을 탐구하는 문을 여는 것입니다.”라고 김동언 교수는 말했다.

Lee, Daesu Phys. Rev. Lett.�129, 117601 (2022)

[이대수 교수 연구실] 변전성을 이용한 준안정 강유전체의 분극 방향 전환

Caption: 변전성을 이용한 CaTiO3 (111) 박막의 역학적 분극 전환 (a)원자간력현미경 (AFM) 팁을 누르는 세기에 따른 CaTiO3 박막의 PFM 위상 변화 (b)AFM 팁을 누르는 세기에 따라 생성된 강유전 분극 영역의 PFM 이미지 (c)AFM 팁을 눌러서 생성된 강유전 분극 영역의 안정성 [이대수 교수 연구실] 변전성을 이용한 준안정 강유전체의 분극 방향 전환 변전성을 이용한 역학적인 강유전 분극 방향 전환은 기존의 전기장을 통한 분극 전환의 적절한 대안으로서 최근 주목받고 있다. 이대수 교수 연구팀은 독특한 역학적 반응을 나타낼 수 있는 준안정 상태의 강유전성을 활용하여 아주 효율적인 역학적 분극 전환을 확인하였다. 이대수 교수 연구팀은 준안정 강유전성의 보전성 (coercivity)이 역학적 힘을 통해 크게 감소하게 됨을 이론적으로 예측하여 변전성을 통한 역학적 분극 전환을 획기적으로 유도할 수 있음을 확인하였다. 또한 준안정 강유전체인 CaTiO3 박막에서 약 100 nN의 아주 작은 역학적 힘으로도 분극 전환이 가능함을 실험적으로도 확인하였다. 작은 힘을 통한 분극 전환은 분극 전환 영역의 너비를 10 nm보다도 작게 만들 수 있어 데이터 용량 면에서 1 Tbit / cm2 이상의 데이터 저장 밀도를 기대할 수 있다는 점에서 그 의의가 상당하다. 본 연구를 통하여 이대수 교수 연구팀은 역학적 분극 전환 기법이 차세대의 효율적 나노전기소자 및 나노전기역학 기술에 있어 중요한 요소로 기능할 수 있음을 보여 주었다. 이번 연구 결과는 Physical Review Letters 최신호에 발표되었다 (Phys. Rev. Lett. 129, 117601 (2022), 공동제1저자: 통합과정 윤지용 학생)

Kim, Yoon-Ho Phys. Rev. Lett. 129, 093601 (2022)

[김윤호교수 연구실] 정지된 광펄스 효과를 통한 두 광펄스의 원자 내 동시 포획

Caption: 정지된 광펄스 (SLP) 효과를 이용한 두 광펄스의 동시 포획. [김윤호 교수 연구실] 정지된 광펄스 효과를 통한 두 광펄스의 원자 내 동시 포획 두 광자 사이의 자유로운 상호작용은 모든 양자정보처리 분야에서 가장 중요한 달성과제 중 하나이다. 그러나 광자는 전자기파로서의 특성으로 인해 진공 중에서는 서로 직접적인 상호작용을 하지 않는다. 이 때문에 두 광자 사이의 상호작용을 구현하기 위해서는 이를 매개하는 원자 매질이 필수적으로 요구된다. 이러한 시스템에서 두 광자는 서로 직접적으로 상호작용 하지는 않지만, 각자 같은 원자 매질과 강하게 상호작용하며 간접적으로 상호작용을 주고 받는다. 일반적으로 이러한 간접적 상호작용의 크기는 매우 작기 때문에 효율적인 상호작용을 위해서는 강한 비선형성의 구현이 필수적으로 요구된다. 정지된 광펄스 (stationary light pulse; SLP) 효과는 원자 소자 내에서 광자가 0의 군속도를 가지며 포획되어 있는 시스템이다. 이러한 시스템에서는 원자와 광자 사이의 긴 상호작용 시간이 강한 비선형성으로 이어지고, 이를 통해 두 광자 사이의 효율적인 상호작용을 구현할 수 있음이 알려져있다. 정지된 광펄스 시스템은 기존의 접근법에 비해 더 결정론적으로 양자 연산을 구현할 수 있고, 이로 인해 더 확장가능한 응용성을 지닌다는 장점이 있다. 김윤호 교수 연구실은 정지된 광펄스 효과의 위상 맞춤 조건을 이론적으로 분석하고, 이를 기반으로 극저온 루비듐 원자 내에서 두 광펄스의 동시 포획을 실험적으로 관측하는데 성공하였다. 이 연구 결과는 국제 저명 학술지인 Physics Review Letters 지에 2022년 8월 23일 게재되었다 (Phys. Rev. Lett. 129, 093601 (2022), 주저자: 통합과정 김유신 학생). 이 연구결과는 기존의 실험적 한계를 극복하여 광학공동 없이도 여러 개의 광펄스를 원자 내부에 포획할 수 있음을 실험적으로 확인한 결과이다. 또한 해당 연구결과에서는 정지된 광펄스 효과가 기존의 연구 결과들보다 더 강한 원자-광자 상호작용 크기를 가질 수 있음을 제시한다. 이러한 결과는 확장가능한 광자간 상호작용을 요구하는 양자 네트워크 등에 응용될 수 있을 것이라 전망된다.

Lee, Jong-Bong / Jeon,Jae-Hyung Sci. Adv. 8, eabj3995 (2022)

[이종봉, 전재형 교수 연구실] 세포 폐쇄형 터널링 나노관 형성 원리 규명

Caption: 세포 페쇄형 터널링 나노관 형성 원리 [이종봉, 전재형 교수 연구실] 세포 폐쇄형 터널링 나노관 형성 원리 규명 산과 산 사이에 둥실 떠 있는 구름다리는 아슬아슬해 보이지만 사람들이 안전하게 산을 건너갈 수 있도록 돕는다. 우리 몸속에도 이처럼 멀리 떨어져 있는 세포와 세포를 연결하는 아주 작은 통로, ‘세포 터널링 나노관’이 있다. 생명 현상에 필수적인 칼슘부터 해로운 바이러스까지 다양한 물질이 이동한다고 알려진 이 나노관은 어떻게 만들어질까? 세포 터널링 나노관은 수백 나노미터(nm, 1nm=10억분의 1m) 두께에 길이가 그 100배인 수십 마이크로미터(㎛, 1㎛=100만분의 1m)에 달하는 가느다랗고 긴 구조를 가진다. 세포는 필로포디아(filopodia)라는 촉수를 가지고 있는데 서로 인접한 세포의 촉수가 맞닿으면서 카드헤린(cadherin)이라는 세포 간 결합 단백질을 통해 결합한다. 이때 촉수는 길이가 자라나면서 회전하는 운동을 한다. 이러한 촉수의 운동에 의해 두 촉수가 서로 꼬이게 되고, 두 촉수 중 하나가 먼저 상대방 세포에 연결되면 연결되지 않은 나머지 촉수가 떨어져 나가 후퇴 운동을 한다. 그렇게 남겨진 하나의 촉수가 폐쇄형 터널링 나노관이 되는 것으로 확인됐고, 실험 결과를 바탕으로 생물물리이론과 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 이러한 모델이 물리학적으로 가능하다는 것을 보였다. 이 연구성과는 폐쇄형 터널링 나노관의 형성 과정을 규명한 최초의 결과로 향후 이를 이용한 암 치료 등의 응용 연구에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 암세포에서 많이 형성되는 터널링 나노관이 암 전이의 비밀을 풀기 위한 실마리로도 지목되기 때문이다.

Lee, Gil-Ho / Gil young, Cho Nature 603, 421-426 (2022)

[이길호 ⋅조길영 교수 연구실] 마이크로파와 초전도 터널링 측정법을 이용해 지속적인 플로켓 상태 생성 및 측정

Caption: (왼쪽) 플로켓-안드레브 상태 측정 소자의 모식도. (중앙) 마이크로파의 세기에 따른 플로켓 스펙트럼 모식도. (오른쪽) 마이크로파의 세기에 따른 플로켓 상태 측정 결과. 마이크로파의 세기가 커질수록, 안드레브 상태 위, 아래로 플로켓 상태들이 생성된다. [이길호 ⋅조길영 교수 연구실] 마이크로파와 초전도 터널링 측정법을 이용해 지속적인 플로켓 상태 생성 및 측정 □ 빛으로 고체 물질의 양자 상태를 조절 빛과 물질의 상호작용을 통해 새로운 양자 상태를 설계하는 것은 물리학 분야 전반에 새로운 패러다임이 되어 가고 있다. 예를 들어 물질에 빛 등을 통해 시간에 대해 주기적인 외부 자극을 주면 물질의 본래 양자상태가 에너지 방향으로 복제되는 플로켓 상태가 있다. 상대성 이론에 따르면, 시간과 공간은 서로 독립적이지 않고 서로 밀접한 관계가 있다. 이에 따라 시간 상에서 주기적인 위치 에너지 변화는 에너지상의 양자 상태를 변형시킬 수 있다. 이를 통해 자연계에 존재하지 않는 양자상태를 인공적으로 만들 수 있으며, 이를 활용한 양자정보 분야로의 응용가능성도 넓게 열려 있다. 하지만 지금까지는 측정 방법 및 발열의 한계로 250 fs (1 펨토는 천조분의 일)이라는 아주 짧은 시간 동안 지속되는 플로켓 상태만 주로 연구되었다. 이렇게 짧게만 지속 시간 때문에 양자역학적 비평형 상태에 대한 정량적 분석이 불가했으며, 다른 플랫폼으로의 확장이 힘들었다. □ 소재와 소자 혁신을 통해 이론적 한계 돌파 포스텍 이길호 교수 연구팀(공동1저자 박세인 통합과정 학생)은 마이크로파를 통해 오랫동안 지속되는 플로켓 상태를 최초로 구현하고, 동교 조길영 교수 연구팀(공동1저자 이원준 통합과정 학생)과의 공동연구를 통해 이론적 정량분석에 성공했다. 기존의 실험들은 높은 주파수를 가지는 광학 레이저를 사용하였기 때문에 그만큼 강한 빛이 필요했고 열도 많이 발생하여 지속가능한 플로켓 상태를 구현할 수 없었다. 이길호 교수 연구팀은 이를 극복하기 위해 낮은 주파수의 마이크로파를 빛으로 사용하였고, 그 결과 1조배 작은 빛의 세기로도 플로켓 상태를 만들 수 있었고, 열 발생이 현저히 줄었기 때문에 지속되는 플로켓 상태를 만들 수 있었다. 다만 낮은 주파수의 빛을 사용하는 만큼 플로켓 상태를 측정하기 위해서는 높은 에너지 분해능을 가지는 측정방식이 필요했다. 이길호 교수님 연구팀은 주사 전자 투과 현미경과 같이 복잡한 장비를 사용하는 대신, 나노 소자 공정 기술을 이용한 초전도 터널링 분석법을 통한 고분해능 측정방식을 개발했다. 이는 주사 전자 투과 현미경의 기술을 나노 소자에 접목시킨 것으로, 수백 나노미터 크기의 초전도 투과 접합을 제작하여 20 마이크로 전자 볼트의 에너지 분해능을 구현했다. 이길호 ⋅조길영 교수 연구팀은 이 연구를 통해 비평형 양자 상태의 대표적인 예시인 플로켓 상태를 연구할 새로운 플랫폼을 제시하였다. 앞으로는 마이크로파의 편광을 변화시키면서 위상학적 밴드 갭을 열 수 있을 것이라 기대되며, 다양한 시스템에 응용될 가능성이 있다. 이번 연구 성과는 저명 국제학술지 Nature 603, 421-426 (2022)에 3월 17일(한국시간)) 게재됐다.