Lee, Gil-Ho Advanced materials (2021)

[이길호교수 연구실] 2차원 물질을 사용하여 스핀-궤도 토크 기반 메모리 소자 제작

caption: 스핀-궤도 토크 기반 차세대 메모리 소자의 모식도. 위상물질에 흘린 전류(노란색 화살표)를 통해 위상물질에서 발생된 스핀 전류(빨간색 화살표)가 자성 물질에 주입되고 있다. 2차원 물질을 사용하여 스핀-궤도 토크 기반 메모리 소자 제작 반도체 기반 전자 소자는 전자가 가지는 전하만을 전기장으로 제어하며 오늘날의 발전을 이루어 왔다. 그러나 소자 자체의 메모리 저장 한계, 소형화에 따른 열 방출 한계 등 물리적 한계에 직면하고 있다. 반면, 전자는 양자역학적 성질인 ‘스핀’이라는 또다른 특성을 가지고 있는데, 이를 활용해 초 저전력, 초고속, 대용량, 비 휘발성 등 차세대 메모리 소자 구현을 위한 스핀트로닉스(spintronics) 연구가 최근 활발히 진행되고 있다. 최근 주로 연구되고 있는 스핀 기반 차세대 메모리 소자는 철이나 코발트와 같은 일반적인 금속성 자성 물질에 백금이나 탄탈럼 같은 중금속 물질이 붙은 구조를 갖는다. 중금속 물질에 전류를 흘리면 스핀-궤도 결합이란 성질에 의해 스핀의 흐름인 스핀 전류(spin current)가 생기고 이것이 자성물질에 주입되면서 자성 상태를 제어하게 되는 것이다. 이런 스핀 전류 변환 효율이 높을수록 적은 전류로도 자성을 쉽게 제어할 수 있어 소모전력 및 발열량을 줄일 수 있기 때문에 높은 변환 효율을 갖는 신물질을 찾는 연구가 활발히 진행되고 있다. 기존에 주로 쓰이던 백금이나 탄탈럼의 경우 그 변환 효율이 0.1 수준에 머물러 있으며, 자성 물질과 중금속 물질 사이의 계면이 고르지 못해 스핀 전류가 잘 주입되지 않는 문제점이 있어왔다. 이길호 교수 연구팀은 소재 및 소자 제작 공정의 혁신을 통해 이 한계를 돌파했다. 접착테이프를 이용한 이차원 물질 박리기법 및 건조 전사기법을 통해 이차원 자성 물질(Fe3GeTe2)위에 스핀 전류 발생 물질(WTe2)을 쌓아 원자수준으로 평평한 접합 계면을 형성했다. 이를 통해 기존 연구에서 보다 계면에서의 스핀 전류 손실을 줄일 수 있었다. 여기에 더해 스핀 전류 발생 물질로 최근에 활발히 연구가 진행되고 있는 위상물질(topological material)인 WTe2을 사용했다. 위상 물질에서는 보다 강력한 스핀-궤도 결합을 통해 높은 스핀 변환 효율이 예상되어 왔는데, 본 연구에서는 그 효율이 5 정도로 일반적인 중금속 보다 수십 배 정도 큰 것을 확인하였다. 또한 자성 물질의 자화 방향을 뒤집는데 필요한 전류도 기존 연구보다 열 배 정도 작아 보다 높은 에너지 효율을 구현했다. 본 연구를 통해 위상물질이 스핀트로닉스 응용분야에서 중요한 역할을 할 수 있다는 가능성을 보여주었다. 

Lee, Gil-Ho Nano Lett. 2021, 21, 24, 10469–10477

[이길호교수 연구실] 고온초전도체의 d-파 비등방 초전도성의 전도 측정을 통한 검증

Caption : 이길호 교수 연구팀은 반데르발스 비틀림 적층 조셉슨(Josephson) 접합의 전도특성을 통하여 Bi2Sr2CaCu2O8+x (Bi-2212) 내부 구리산화물층의 d-파 비등방 초전도성을 확인하였다. (왼쪽) Bi-2212 비틀림 적층 조셉슨 접합의 전도 측정 모식도 및 (오른쪽) 접합의 확대 구조와 운동량 공간에서 비틀린 위아래 Bi-2212의 d-파 초전도 간격. 고온초전도체의 d-파 비등방 초전도성의 전도 측정을 통한 검증 흑연의 단원자층인 그래핀을 얻을 수 있는 물리적 박리 기법의 개발 이후, 비슷한 방법으로 얻을 수 있는 다양한 2차원 물질들에 대한 양자물리 및 양자공학 연구가 활발히 이루어지고 있다. 특히 최근에는 같은 물질을 쌓더라도 결정각도의 비틀림을 조절하면 전혀 새로운 물성이 나타날 수 있다는 것을 알게 되었고, 이를 통해 물성을 조절하는 트위스트로닉스(twistronics)란 분야가 급부상하고 있다. 대표적인 예로 초전도체가 아닌 두 그래핀을 약 1.1도로 비틀어 쌓으면 초전도성 뿐만 아니라 강유전성도 나타난다. 이런 그래핀과 같이 결정 방향으로 물성이 동일한 등방성 결정층의 비틀림 구조에서도 새로운 물성을 관찰할 수 있지만, 비등방성 결정층을 활용하면 비틀림 각도에 대해 더 극적으로 변화하는 물성을 관찰할 수 있을 것이다. 본 연구팀은 Bi2Sr2CaCu2O8+x(Bi-2212)란 구리산화물 기반 고온초전도체에 주목했다. 고온초전도체의 기초물성을 이해하는 것은 기초물리학 뿐만 아니라 응용연구에서도 중요하나 이런 고온초전도체 물질의 비등방성에 대해서는 완벽히 알려진 바가 없다. 주사 터널링 현미경 및 각분해능 광전자 분광학을 통해 그 비등방 초전도성이 제안된 바 있었다. 전도특성 연구로써 20여년 전부터 비등방 초전도성 확인을 위해 c-축 비틀림 조셉슨(Josephson) 접합 측정이 시도되었으나 당시 소자 제작 기술의 한계로 접합 형성에 사용된 높은 온도와 기계적 힘으로 접합 계면의 결정 구조가 변형되어 명확한 결론을 내지 못한 상황이었다. □ 박리 및 적층 공정 혁신으로 선행 연구의 한계 극복 본 연구팀은 선행 연구의 한계였던 접합 계면의 결정 구조 변형을 극복하기 위해 반데르발스 힘으로 Bi-2212 결정층을 쌓아 계면에 가해지는 힘을 최소화했다. 또한 미세 박리 후 적층 기법을 사용하여 하나의 결정을 위아래 두 층으로 박리하고 다시 둘을 비틀어 쌓고, 모든 박리부터 적층까지의 공정을 비활성 기체 분위기에서 진행하여 Bi-2212 표면의 품질저하를 최소화하였다. 이를 통해 제작한 반데르발스 조셉슨 접합에서 c-축 비틀림 각도에 대한 조셉슨 결합의 변화를 측정했고, d-파 비등방 초전도성에 기반해 이론적으로 잘 설명했다. 이 결과는 새로운 나노공정 개발의 의의뿐 아니라 고온초전도 기초물성연구의 중요성을 인정받아 최근 Nano Letters에 게재되었다. 이번 연구에서 시연한 미세 박리 후 적층 기법은 다른 다양한 공기노출에 민감한 2차원 물질들의 계면 연구를 가능하게 할 것으로 기대된다

Yun, Gunsu / Kim, Dong Eon Nature Communications 12, 4630 (2021)

[윤건수교수, 김동언교수 연구팀] 초임계 유체의 비평형 상분리 현상을 관측

Caption: (a) 아르곤 상태도. 순간적인 유체의 압축-팽창으로 다수의 액적이 생성되고, 초임계 유체 속에서 한 시간 이상 공존한다. (b) 압력에 따른 액적의 수밀도, 증발 시간, 매질의 불투명도 측정 결과. 마이크로미터 크기의 액적과 동시에 나노미터 크기의 클러스터가 존재한다. 포스텍(포항공대) 윤건수 교수, 막스플랑크 한국/포스텍연구소 김동언 교수 연구팀이 초임계 유체의 비평형 상분리 현상을 관측했다. 포항공과대학교(POSTECH) 물리학과·첨단원자력공학부 윤건수 교수, 막스플랑크 한국/포스텍연구소(MPK)·물리학과 김동언 교수 공동연구팀이 수 시간 지속되는 초임계 유체의 비평형 상분리 현상을 관측했다. 또한, 상분리 경계면에서의 입자 수송 모델을 통하여 장시간 지속되는 상분리 현상을 설명하고, 이 과정에서 나노 입자의 역할을 규명했다. 이 연구는 학술지 Nature Communications 최신호에 게재됐다. 이번 성과는 미개척의 분야라고 할 수 있는 초임계 유체의 비평형 상분리 현상을 최초로 규명하면서 연계 연구를 위한 초석을 마련했다는 점에서 학술적인 의의가 크다. 유체의 온도와 압력이 일정 수준 이상 높아지면 액체와 기체의 경계가 사라지고, 더 이상 상태 변화를 일으키지 않는 단상(single phase)의 초임계 유체로 존재한다는 점은 약 200년간 과학적인 상식으로 받아들여졌다. 하지만 2010년대에 이르러 초임계 유체는 온도와 압력 조건에 따라 액체 또는 기체의 특성을 가질 수도 있다는 연구 결과가 보고되었다. 이후 다양한 실험과 시뮬레이션을 통해 초임계 유체 영역 내에 다수의 상태가 존재함이 지속적으로 확인되었다. 그러나, 동일한 온도와 압력 지점에서 단상이 아닌 다수의 상이 공존하는 상태, 즉 일반적인 액체와 기체가 상분리되어 공존하는 것과 유사한 상태의 가능성에 대해서는 논의된 바가 없었다. 공동 교신저자로 참여한 POSTECH 윤건수 교수는 “비평형 초임계 유체에 대한 연구는 산업 공정에 대해서 뿐만 아니라 금성이나 목성과 같은 행성 대기, 화산 폭발, 지구 지각 내부에 존재하는 유체 등 자연계에 존재하는 다양한 초임계 유체의 특성을 이해하는데 기여할 것이다”라며, “실험 결과를 넘어서 비평형 상분리 초임계 유체를 이론적으로 해석하기 위한 연구를 수행하는 중”이라고 밝혔다.

Kim, Jun Sung Nature[2021)

[김준성 교수 연구실] 초거대 각자기저항 현상 발견

Caption: (왼쪽) 위상 자성 반도체에서 나타날 수 있는 반금속-금속 전이 현상을 설명하는 모식도. 위상학적 마디선은 에너지와 운동량 공간에서 전자띠가 서로 만나는 지점이 선으로 이어진 것을 말한다. 이와 동시에 자성을 가질 경우에, 스핀의 방향이 변화할 때 달라지는 스핀궤도결합 에너지에 의해 반도체(왼쪽 위)와 금속(왼쪽 아래)의 두 가지 상태를 가질 수 있다. (오른쪽) 위상 자성 반도체 Mn3Si2Te6에서 나타나는 초거대 각자기저항의 크기를 다른 자성체와 비교한 그림. 위상학적 전자상태에 의해 나타나는 해당 현상은 다른 자성체에서 나타나는 각자기저항에 비해 그 크기가 월등히 크다. (삽도) Mn3Si2Te6의 결정 및 자성 구조. [김준성 교수 연구실] 초거대 각자기저항 현상이 나타나는 자성 반도체 물질 발견 위상학적인 전자상태는 고체 물질의 전자구조가 뫼비우스의 띠처럼 꼬여진 구조를 가질 때 나타나는 전자상태로, 고체 물질의 물성을 깊이 이해하고 새로운 물성을 찾아내기 위한 열쇠로 여겨지고 있다. 최근 위상학적인 전자상태를 가지는 고체 물질에 대한 연구가 심화되면서, 자성과 위상학적 전자상태를 동시에 갖는 물질인 위상 자성체에 대한 연구 또한 활발히 진행되고 있다. 물리학과 김준성 교수 연구팀은 한국원자력연구원 김규 박사, 서울대학교 양범정 교수, 연세대학교 김재훈 교수 연구팀을 비롯한 국내외 공동 연구진과 함께 자성을 띠는 반도체 물질에서 위상학적인 전자상태에 의한 초거대 각자기저항 현상을 최초로 발견했다. 연구진은 위상학적 전자상태가 전도띠 (conduction band) 또는 원자가띠 (valence band)에 존재하는 물질인 자성 위상 반도체의 개념을 제안했고, 이러한 물질에서는 스핀 방향을 외부자기장으로 조절하면 전류를 흐르거나 흐르지 못하게 조절할 수 있을 것으로 예상했다. 기존의 자성체에서 스핀의 방향을 바꾸었을 때 전류의 흐름이 일부 조절되는 경우는 있지만, 전류를 완전히 흐르거나 흐르지 못하게 조절하는 경우는 보고된 바가 없었다. 이에 연구진은 해당 현상이 구현될 수 있는 실제 물질을 찾는데 집중했고, 연구진이 주로 연구하고 있던 2차원 물질인 반데르발스 물질에서 그 후보물질을 탐구했다. 그 결과, Mn3Si2Te6라는 물질에서 스핀 방향에 따라 위상학적 전자상태의 변화가 나타날 수 있음을 예측하였고, 합성된 단결정의 전도성이 자기장의 방향에 따라 10억 배 정도 급격하게 변화하는 것을 발견하였다. 또한 이러한 초거대 각자기저항 현상이 스핀 방향에 따라 유도되는 부도체-금속 상전이에 기인한다는 점을 이론적으로 규명하고, 자기장 방향에 따른 광학 특성 측정을 통해 이를 직접적으로 관측하였다. 이번에 발견된 자성 위상반도체의 초거대 각자기저항 현상은 향후 고도로 예민한 자기장 방향 감지나 스핀 정보의 관측에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 해당 물질이 가진 반도체 특성을 이용하여 전기장을 통한 전도특성 변화와 결합하면, 스핀과 전하의 자유도를 전기장과 자기장으로 동시에 조절하는 새로운 형태의 스핀 정보 소자로의 활용 가능성도 무궁무진하다. 이번 연구성과는 저명 국제학술지 ‘네이처(Nature, IF 49.962)’지에 11월 25일(한국시간) 온라인 게재됐다.

Kim, Yoon-Ho Optica 8, 1524(2021)

[김윤호교수 연구실] 광자의 초얽힘을 이용해 잡음에 강한 양자통신 프로토콜을 제안하고 검증하였음

Caption : 편광상태와 주파수/시간 상태가 동시에 얽힘된 초얽힘 상태는 고잡음 환경에서 양자신호의 장거리 전송을 가능하게 함. 포스텍 물리학과 김윤호 교수 연구팀은 광자의 초얽힘을 이용해 잡음에 강한 양자통신 프로토콜을 제안하고 검증하였음. 물리학과 김윤호 교수 연구팀은 광자의 초얽힘(hyper-entanglement) 현상을 이용해 고잡음 환경에서 양자신호를 효과적으로 전송하는 프로토콜을 제시 및 실험으로 검증하고, 이 결과를 저명 학술지인 Optica에 게재하였음 [Optica 8, 1524 (2021)]. 본 연구는 초얽힘의 구체적 활용예로는 최초이며 잡음이 많은 장거리 양자통신의 실용화 구현에 크게 기여할 것으로 평가됨. 떨어진 통신노드에 양자얽힘(Quantum entanglement)을 분배하는 것은 양자키분배(Quantum key distribution) 및 양자비밀공유(Quantum secret sharing)와 같은 양자통신 알고리즘을 구현하는 과정에서 필수적인 요소임. 하지만, 잡음이 많은 실제 광섬유 통신환경 속에서 양자얽힘은 쉽게 결맞음(Coherence)을 잃어버리기 때문에, 통신 알고리즘을 수행하는 연구는 짧은 거리에 국한되어 있었음. 이를 해결하기 위한 기술적 연구가 이루어졌지만, 대부분의 연구가 양자 채널에서의 잡음을 억제하는 데에 초점을 맞추어져 있으며, 문제를 온전히 해결하기에는 한계가 있었음. 이에 연구팀은 광자의 초얽힘(Hyper-entanglement) 현상을 이용하여 양자신호에 추가적인 잡음저항을 부여할 수 있는 새로운 프로토콜을 제안하였음. 이를 위해 편광과 주파수/시간 모드가 초얽힘된 광자쌍을 생성할 수 있는 광섬유 기반 광학시스템을 구현함. 저자들은 편광얽힘에 더불어 존재하는 주파수/시간 상태를 효율적으로 활용하여, 채널상의 잡음을 효과적으로 제거할 수 있었음. 곧, 제안한 방법을 통해 편광얽힘신호의 신호대잡음비(Signal-to-noise ratio)를 현저히 개선할 수 있었으며, 얽힘이 사라질 정도의 고잡음 채널 환경에서도 양자통신(Quantum communication)이 가능해짐을 실험적으로 보임. 제안된 프로토콜은 기존의 큐비트 양자통신 알고리즘에 보편적으로 적용가능하므로, 제한적으로 수행되던 기존의 잡음억제전략을 보완할 수 있는 새로운 가능성을 시사함. 연구를 주도한 김윤호 교수는 “이번 연구 성과는 고잡음 환경속에서 양자통신 알고리즘을 수행하는 데에 도움을 줄 연구결과로써, 장거리 양자통신 발전에 이바지할 것”이라고 밝혔음.

Song, Changyong PNAS(2021)

[송창용교수 연구실]2m 길이 DNA가 100만분의 1 크기로 줄어드는 비밀 밝힌다

Caption:나노미터 분해능으로 규명된 인간 염색체의 3차원 정량 구조. 확대한 이미지는 염색체의 3차원 구조가 정형화된 계층구조 보다는확률적인 분포로 구성된 비정형의 입체구조로 구성됨을 보여 줌. [송창용 교수 연구실] 2m 길이 DNA가 100만분의 1 크기로 줄어드는 비밀 밝힌다 -POSTECH 송창용 교수팀, 방사광가속기 이용해 인간 염색체의 고해상도 입체 구조 관측 실이나 이어폰 줄을 좁은 공간에 아무렇게나 두면 쉽게 꼬여버린다. 이와 달리 우리 몸의 DNA는 실처럼 길게 풀어져 있다가도 세포가 분열할 때 100만분의 1 크기인 막대 모양 염색체로 뭉치는 과정을 반복한다. 길이가 2미터(m)에 달하는 DNA에 그대로 세포 분열이 일어나면 유전 정보가 손상되거나 상실될 위험이 있기 때문에, 유전 정보를 정확하게 전달하기 위해선 염색체의 응축이 필수적이다. POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 물리학과 송창용 교수‧성대호 박사, 전재형 교수‧통합과정 임찬 씨, 광주과학기술원(GIST) 노도영 교수 연구팀은 3세대 방사광가속기의 엑스선을 이용해 뭉쳐 있는 상태의 인간염색체를 나노미터(nm) 수준의 분해능으로 관측한 연구 결과를 미국국립과학원회보(PNAS)에 발표했다. 엉키지 않고 100만분의 1크기로 뭉쳐지는 염색체의 응축 과정과 이를 가능케 하는 염색체의 입체 구조는 지난 반세기 이상 많은 연구자의 관심을 지속적으로 불러 모았으나 염색체가 뭉쳐 있는 모습 그대로를 확인하기는 어려웠다. 염색체의 일부 성분만을 검출하거나 길게 풀려있는 상태를 보고 뭉친 상태를 추정해야 했던 것이다. 이번 연구는 염색체를 급속 냉동 후 극저온 상태를 유지한 뒤 첨단 방사광가속기에서 발생한 결맞는 엑스선을 활용해 염색체의 3차원 입체 구조를 선명하게 확인했다. 염색체를 얇게 자르거나 염색하는 기존의 기술적 방법과 달리 원형 상태의 염색체의 구조를 밝혀낸 연구 성과이다. 이를 통해 연구팀은 염색체가 기존 연구로 알려져 있던 계층적 구조가 아닌 프랙탈 구조로 형성됐음을 확인했다. 이와 함께 염색체의 응축 과정을 보여주는 물리적 모형을 제시하기도 했다. 송창용 교수는 “첨단 방사광가속기의 결맞는 엑스선을 이용해 오래된 난제였던 염색체의 3차원 구조를 나노미터(nm) 수준의 고해상도 이미지로 밝혀냈다”며 “생명체의 중요한 특성인 유전현상을 이해하는 실마리를 제공함과 동시에 연구에서 개발된 기법은 바이러스 입자 등 그 상세구조가 중요한 다양한 물질의 입체구조를 밝히는데 활용될 예정이다”고 말했다. 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업, 선도연구지원사업(SRC), 국제공동연구사업의 지원을 받아 이뤄졌으며, 결과는 PNAS에 11월 16일에 게재되었다.

Shin, Heedeuk Nano Letters 21, 7270-7276 (2021)

[신희득교수 연구실] Active Information Manipulation via Optically Driven Acoustic-Wave Interference

Caption: 음파 간섭을 통한 광신호처리 구현 개략도 실리콘 광도파로에 입사한 펌프 빛(파랑선)의 위상에 따라서 음파가 간섭을 일으키고 이 음파에 의해 프로브 빛(초록선)의 산란을 조절할 수 있음을 표현했다. 포스텍(포항공대) 신희득 교수 연구팀이 광 주파수 영역에서 에너지 차이 보존을 세계 최초로 관측했다. 물리학과 신희득 교수 연구팀은 실리콘 칩에서 빛에 의해 생성된 음파를 이용해 광파 신호를 증폭 또는 감쇄할 수 있음을 세계 최초로 구현했다. 이 연구성과는 세계적인 권위지인 ‘나노 레터(Nano Letters)’에 게재됐다. 이번 연구는 최초로 음파의 간섭을 이용해 광-음파 상호작용을 제어함으로써 광역학계를 이용한 신호처리나 센싱 등 다양한 응용분야로의 발전 가능성을 보여줄 수 있는 연구로 평가된다. 빛을 이용한 신호 처리는 전자를 이용한 신호 처리보다 발열이 적고 빛의 빠른 속도를 이용할 수 있다는 장점이 있다. 최근에 나노 포토닉스 구조물에서 빛이 음파에 산란하는 브릴루앙 현상을 이용한 광신호처리 기술이 구현되었으나, 지금까지의 연구결과는 단순한 음파의 생성과 빛의 산란을 측정한 것이기에 광신호처리나 센싱 등의 응용분야로의 발전을 위해서는 능동적인 광-음파의 제어를 통한 광신호처리의 가능성을 보여줄 필요가 있다. 이에 연구팀은 실리콘 칩에서 생성된 음파의 간섭을 이용해 능동적인 광신호처리 방법을 제시했다. 우선, 나노 공정작업을 통해 머리카락 두께의 100분의 1보다 얇은 3개의 광도파로를 실리콘 칩에 나란히 제작했다. 광력을 이용해서 두 광도파로에서 음파를 생성하고 그것이 세 번째 광도파로에 도달하는 시간을 조절함으로써 두 음파를 간섭시켰다. 연구팀은 이를 통해 실리콘 칩 내에서 음파의 보강 간섭과 상쇄 간섭 간에 10,000배 이상의 대비를 갖는 마이크로파 신호가 증폭·감쇄되는 것을 관측하였고, 이를 발전시켜 펄스 형태 신호의 세기를 조절할 수 있음을 세계 최초로 구현하였다.

Shin, Heedeuk Physical Review Letters 127, 083601 (2021)

[신희득교수 연구실]Optical Energy-Difference Conservation in a Synthetic Anti-PT-Symmetric System

Caption: 광섬유 기반 시공간-교환 반대칭 개략도 광섬유를 따라 전파하는 광세기의 변화(빨강선과 파랑선)와 특이점(exceptional point) 주위의 위상변위를 표현했다. 포스텍(포항공대) 신희득 교수 연구팀이 광 주파수 영역에서 에너지 차이 보존을 세계 최초로 관측했다. 물리학과 신희득 교수 연구팀은 광섬유를 이용해 비선형 4-광자 결합 현상을 기반으로 하는 시공간-교환 반대칭 물리계를 구성, 광 주파수 영역에서 에너지 차이 보존을 세계 최초로 관측했다. 이 연구는 미국 물리학회의 저명 학술지인 Physical Review Letters 최신호에 게재됐다. 이번 연구는 그동안 나노 공정의 어려움으로 접근이 힘들었던 비-허미션 광학연구를 손쉽게 할 수 있는 방식을 제안했다고 평가된다. 최근 태동한 비-허미션 물리학 영역은 손실과 증폭에 ‘불완전한 계와 수정’ 외 새로운 역할을 부여해 기본 작동원리를 확장하고 허미션 헤밀토니안 물리계와 다른 물리적 현상을 보여줌으로서 차세대 신호 및 에너지 제어기술로 주목을 받고 있다. 비-허미션 물리계 가운데 시공간-교환 반대칭계는 균형 잡힌 손실과 증폭으로 구성되고, 이 계에 에너지가 손실과 증폭을 겪으며 진행할 때 위상변위와 에너지 차이 보존 등 흥미로운 물리현상을 볼 수 있다. 하지만 광학 영역에서 완벽히 균형 잡힌 손실과 증폭은 현실적으로 제작하기 어려워 에너지 차이 보존과 결맞음 광세기 진동과 같은 현상은 관측된 바 없다. 연구팀은 광통신 분야에서 널리 사용되는 광섬유를 이용해 비선형 4-광자 결합 현상을 기반으로 하는 시공간-교환 반대칭 물리계를 구축했다. 그 결과 연구팀은 제안한 방법을 이용해 시공간-교환 반대칭 현상 중 위상변위 뿐 아니라 긴 광섬유 덕에 광 세기의 결맞음 진동을 광학 영역에서 최초로 관측했다. 또한, 광섬유의 저손실과 비선형 현상을 이용해 비-허미션 계에서 중요한 보존량인 에너지-차이 보존 물리계를 광학 영역에서 처음으로 관측했다. 이번 연구를 주도한 신희득 교수는 “비-허미션 물리현상 연구에 대한 효율적인 실험 플랫폼을 제공했다”며 “더 높은 차원의 비-허미션 연구에 대한 기여와 소재 개발 및 양자정보학 등 학제 간 연구에도 중요한 발판이 될 것”이라 의미를 밝혔다.

Yun, Gunsu Nature Communications 12, 3774 (2021)

[윤건수 교수 연구실] 윤건수 교수, 포항가속기연구소 윤영대 박사 연구팀이 자기권 플라즈마 난제인 ‘분기된 전류 시트’의 기원을 설명했다.

Caption: (a) 전류 시트를 이루는 입자들의 궤도 종류와 위상 공간 분포를 이론적으로 유도한 결과. (b) 전류 시트가 평형화 하는 과정에서의 위상 공간 분포 변화를 보여주는 입자 시뮬레이션 결과. (c) 미국 NASA 위성이 자기권에서 관측한 분기된 전류 시트(좌)와 입자 시뮬레이션에서의 전류 시트(우). 포스텍(포항공대) 윤건수 교수, 포항가속기연구소 윤영대 박사 연구팀이 자기권 플라즈마 난제인 ‘분기된 전류 시트’의 기원을 설명했다. 포항가속기연구소 윤영대 박사, 물리학과 윤건수 교수 연구팀은 자기권 플라즈마 분야 난제인 ‘분기된 전류 시트’의 기원을 설명했다. 이 연구는 학술지 Nature Communications 최신호에 게재됐다. 이번 연구는 이론적 분석, 슈퍼컴퓨터를 이용한 입자 시뮬레이션과의 교차 검증, 그리고 미국 NASA의 위성 데이터과의 비교를 결합하여 얻은 성과이다. 이 연구는 분기된 전류 시트의 기원을 설명했을 뿐만 아니라 핵융합 플라즈마 등 광범위한 자기화 플라즈마에서의 비충돌 평형화 과정을 이해하는 새로운 틀을 제시한 중대한 성과로 평가된다. 플라즈마가 시트 형태로 존재하고 시트에 수평한 방향으로 전류가 흐르는 상태를 ‘전류 시트’라고 한다. 전류 시트 내부에서는 전류가 만들어내는 자기장에 의한 자기 압력과 플라즈마의 열 압력이 서로 반대 방향으로 힘을 작용하는데, 그 힘의 크기가 서로 완벽하게 같게 된 경우를 평형 상태, 그렇지 않은 경우를 비평형 상태라 한다. 본 연구에서는 우선 전류 시트를 이루는 입자들의 궤도 종류와 위상 공간 분포를 고려하여 비평형 상태의 시트가 평형 상태로 변천하는 과정을 상세히 분석하였다. 이 과정에서 전류 시트가 두 갈래로 분기되는 것을 자연스럽게 설명할 수 있었으며, 한국핵융합에너지연구원의 KAIROS 슈퍼컴퓨터에서 입자 시뮬레이션을 수행하여 그 결과가 이론적인 예측과 일치함을 확인하였다. 또한 시뮬레이션 데이터를 미국 NASA의 MMS 위성 데이터와 비교 검증하였다. 윤건수 교수는 “전류 시트의 평형화 과정과 분기된 전류 시트의 기원이라는 두 가지 난제를 동시에 해결한 연구”라며, “지구 자기권 플라즈마 뿐만 아니라 핵융합 플라즈마에서 일어나는 유사한 현상들도 같은 연구 기법으로 해석하고자 하는 중”이라 밝혔다.

Kim, Jun Sung / Kim, Tae-Hwan Nature Communications volume 12, Article number: 3157 (2021)​

[김준성, 김태환 교수 연구실] 전하정렬 상태와 공존하는 2차원 초전도 상태 발견

Caption: 전하정렬 상태를 가진 이리듐-다이텔루라이드의 두께를 조절하여 전하정렬 상태와 초전도성이 공존하는 것을 발견했다. (왼쪽) IrTe2의 층상구조 (오른쪽) 두께에 따른 상전이 온도 그림, 수십 나노미터 수준의 두께 영역에서 초전도성(SC)과 전하정렬 상태가 공존해 나타난다. [김준성, 김태환 교수 연구실] 전하정렬 상태와 공존하는 2차원 초전도 상태 발견 극저온에서 전자의 농도나 외부 압력이 바뀌면서, 원래 나타나던 전자의 정렬 상태가 사라지거나 다른 상태로 변하는 현상이 나타나는데 이를 양자 상전이 현상이라고 한다. 지금까지는 양자 상전이 현상이 일어날 때 보통의 초전도체와 다른, 비고전적인 초전도 현상이 자주 발견됐다. 이때 비고전적인 초전도 현상을 유도하는 중요한 요인 중 하나는 전하정렬 상태가 사라지면서 나타나는 양자요동이라고 여겨졌다. 하지만 아직도 전하정렬 상태와 초전도 상태가 어떤 관계를 가지는지 명확히 밝혀지지 않았다. 물리학과 김준성 교수, 김태환 교수 연구팀, 신소재공학과 김종환 교수 연구팀을 비롯한 국내외 공동 연구진은 전하의 공간적인 분포가 선형적인 패턴으로 정렬된 상태를 가지고 있는 이리듐-다이텔루라이드(이하 IrTe2)의 두께를 수십 나노미터 수준으로 박리하여, 2차원 초전도성을 유도할 수 있다는 것을 밝혀냈다. 연구팀은 전하의 정렬 상태와 초전도 상태 간의 관계를 연구하기 위해 전하정렬 상태를 가지고 있는 물질 중에서도 약한 반데르발스 결합으로 이루어진 층상구조 물질에 주목해왔다. 연구진은 층 사이가 약한 반데르발스 결합으로 이뤄진 점을 이용하여 물질의 두께를 얇게 함으로써 전하정렬 상태를 조절하였다. 이 경우 구조나 정렬의 결함을 야기하지 않고 물질의 고유 상태를 유지하며 전자 간의 상호작용만 조절할 수 있다는 장점이 있다. 연구진은 저온에서 전하정렬 상태가 나타나는 대표적인 반데르발스 물질인 IrTe2의 두께를 다양하게 조절하면서 전하정렬 상태와 초전도 현상을 체계적으로 조사했다. 이를 통해 연구진은 수십 나노미터 두께의 IrTe2 박막에서 전하정렬 상태가 여전히 유지되면서 동시에 초전도 현상이 나타난다는 점을 확인했다. 이런 결과는 전하정렬이 약화될 때 나타나는 양자요동으로 초전도 상태가 유도되는 기존의 보고와는 상반되는 결과이다. 특히 이번 연구는 물질의 두께를 조절함으로써 전하정렬의 소멸과 그로 인한 양자요동이 없어도 초전도 현상을 유도할 수 있다는 점을 확인한 첫 사례이다. 향후 두께 조절을 통해 양자 상전이, 그리고 전하정렬 상태와 초전도 상태의 관계를 밝히는 데 중요한 기여를 할 것으로 기대된다. 이번 연구성과는 저명 국제학술지 ‘네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 12.121)’지에 5월 26일(한국시간) 온라인 게재됐다.