Kim, Yoon-Ho Physical Review Letters 128, 040503 (2022)

[김윤호교수 연구실] 양자 얽힘 없이 하이젠베르크 한계에 도달하는 약한 값 증폭 방법 제시

Caption: 매개변수를 반복적으로 상호작용 시킴으로써 하이젠베르크 한계에 도달할 수 있음 김윤호 교수 연구팀은 양자얽힘을 사용하지 않고도 측정의 하이젠베르크 한계에 도달할 수 있는 약한 값 증폭 방법을 제시함. 물리학과 김윤호 교수 연구팀은 양자얽힘을 사용하지 않고도 측정의 하이젠베르크 한계에 도달할 수 있는 약한 값 증폭 방법을 제시하고 이 결과를 저명 학술지인 Physical Review Letters에 게재하였음 [128, 040503 (2022)]. 약한 값 증폭은 낮은 성공 확률을 대가로 작은 신호를 크게 증폭하여 측정하는 방법을 제공함. 낮은 성공 확률에도 불구하고 약한 값 증폭은 기존의 측정 방법에 비해 특정 유형의 노이즈로부터 비교적 자유롭다는 장점이 있음. 기존 연구들에서 양자얽힘을 사용해 측정의 하이젠베르크 한계에 도달할 수 있는 약한 값 증폭 방법이 구현되었으나, 거시적 양자얽힘의 실험적 구현의 어려움은 실용적 양자계측에 걸림돌이었음. 본 연구에서는 양자얽힘을 사용하지 않아도 반복적 상호작용을 통해 측정의 하이젠베르크 한계에 도달할 수 있는 약한 값 증폭 방법을 제시함. 이를 통해 측정의 하이젠베르크의 한계에 도달하게 되는 원인은 양자얽힘 자체에서 오는 것이 아니라 각 입자와 미터간의 반복적인 상호작용에서 기인되는 효과라는 것을 보임. 연구를 주도한 김윤호 교수는 “양자한계 측정에서 양자얽힘이 반드시 필요하지 않음을 보였다는 점에서 양자계측의 실용화에 기여할 것”이라고 밝혔음.

Kim, Tae-Hwan Phys. Rev. Lett. 128, 046401

[김태환 교수 연구실] 전하 밀도파에서 나선성 적층 배열의 원편광 이색성 발견

Caption: 1차원 전하 밀도파의 (a) 왼-, (b) 오른-나선성 적층 배열 및 전자 밴드 구조. (c) (왼/오른쪽) 왼/오른-나선성 적층 배열의 2차원 브릴루앙 영역에서 원편광 이색성 맵. [김태환 교수 연구실] 전하 밀도파에서 나선성 적층 배열의 원편광 이색성 발견 딱정벌레의 반짝이는 겉껍질은 그 종류에 따라 특정 방향으로 편광된 빛만 반사하는 특이한 빛 특성을 보인다. 따라서, 왼-편광과 오른-편광의 반사 혹은 흡수가 다른 원편광 이색성(circular dichroism)을 갖는다. 이런 현상은 딱정벌레의 겉껍질을 이루는 층의 나노 구조의 나선성(chirality) 때문이다. 이 구조는 딱정벌레의 종류마다 달라 서로 다른 종끼리 서로를 구별하는 역할을 한다. 이처럼 자연계에서는 구조의 나선성이 원편광 이색성과 같은 광학적 특이성으로 발현되는 경우가 흔하다. 하지만, 거울 대칭성이 깨져 자연스럽게 나선성을 갖는 전하 밀도파에서는 이와 같은 광학적 특이성을 잘 나타나지 않는다. 일반적으로 서로 반대의 나선성이 비슷한 확률로 존재하여 거시적으로 그 효과가 상쇄되기 때문이다. 본 연구에서는 원편광 이색성이 보고되지 않은 준1차원 전하 밀도파가 수직 방향으로 나란히 배열이 될 때, 거울 대칭이 깨진 나선성 적층 배열을 갖을 수 있어, 이로 인해 원편광 이색성이 상쇄되지 않고 발현될 수 있음을 처음으로 밝혔다. 본 연구에서 밝힌 전하 밀도파의 적층 배열과 원편광 이색성의 관계로부터, 원편광을 비춘 상태로 전하 밀도파로의 상전이를 유도하면 원하는 전하 밀도파 배열을 만들 수 있을 것으로 기대한다. 더 나아가 편광된 빛을 이용해서 전하 밀도파에 존재하는 특정 위상 솔리톤을 대량으로 생성할 수 있을 것으로 예측되어, 솔리톤 소자의 응용을 앞당길 수 있을 것으로 기대한다. 이번 연구성과는 미국 물리 학회의 저명 학술지인 Physical Review Letters 최신호(1월27일자)에 게재됐다.

Lee, Daesu Appl. Phys. Rev. 8, 041327 (2021)

[이대수 교수 연구실] 원자간력현미경을 통한 나노단위 변전성 연구에 대한 리뷰

Caption: 원자간력현미경 (AFM)을 통한 변전성 연구 및 물성 제어 [이대수 교수 연구실] 원자간력현미경을 통한 나노단위 변전성 연구에 대한 리뷰 지난 10년 동안 고체에서 나노스케일 변전성의 엄청난 과학적, 기술적 잠재력이 검증되어 왔다. 변전성은 변형률 기울기에 대한 전기 분극의 보편적인 생성에 대한 현상이고, 물질의 크기가 나노 스케일 수준으로 작아질 때 반비례적으로 변전 효과의 크기가 향상될 수 있다. 이 독특한 스케일링 효과를 기반으로 나노스케일 변전성은 흥미로운 물리적 현상을 보여주었으며 새로운 전자, 전기기계 및 광전지 응용을 유망하게 했다. 나노스케일 변전성을 활용하는 가장 강력한 방법 중 하나는 원자간력현미경 (AFM) 팁을 통해 재료의 표면을 눌러 큰 변형률 기울기를 생성하는 것이다. 이 소위 AFM 팁 프레싱을 통해 모든 재료의 반전 대칭을 국소적으로 깨고 반전 비대칭과 관련된 모든 흥미로운 물리적 현상을 연구할 수 있다. 이 기술은 최근에 나노스케일 변전성에 대한 많은 중요한 연구를 촉진했지만 효과적인 사용을 위해서는 여전히 더 탄탄한 기반이 필요하다. 이대수 교수 연구팀은 이 리뷰논문을 통해서 AFM 팁 프레싱을 통해 나노스케일 변전성을 탐구하기 위한 포괄적인 지침을 제공하였다. 또한 AFM 팁 프레싱을 통한 나노스케일 변전성의 최근 진행 상황과 향후 연구 방향에 대해 논의하였다.

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.