Kim, Jun Sung Nature Communications volume 12, Article number: 2844 (2021)

[김준성 교수 연구실] 손쉽게 자성상태 조절하는 2차원 자석 합성

Caption: (가운데) 반데르발스 강자성체 Fe4GeTe2에 철(Fe) 대신 코발트(Co)를 치환하여 층간 자성 상호작용을 조절해 4가지 강자성과 반강자성 상태를 유도했다. (왼쪽 위) 수직 이방성을 갖는 강자성 상태 (왼쪽 아래) 수평 이방성을 갖는 강자성 상태 (오른쪽 위) 수직 이방성을 갖는 반강자성 상태 (오른쪽 아래) 수평 이방성을 갖는 반강자성 상태. [김준성 교수 연구실] 손쉽게 자성상태 조절하는 2차원 자석 합성 2차원 자석은 차세대 정보소자 후보인 스핀정보소자 구현에 필요한 핵심 소재 중 하나다. 전자 소자가 0과 1 정보를 담은 수많은 트랜지스터로 이루어지듯, 스핀 정보소자에서 스핀 ¡è과 ¡é정보의 입·출력을 위해서는 다양한 자성상태를 갖는 자석을 서로 접합시켜야 한다. 따라서 2차원 자석에서 자성상태를 조절하는 것은 매우 중요한 과제였다. 그러나 2차원 자석 후보 물질이 드물고, 매우 낮은 온도에서만 자성이 나타나 적합한 소재를 확보하기 어려웠다. 물리학과 김준성 교수 연구팀은 화학과 심지훈 교수 연구팀, 신소재공학과 최시영 교수 연구팀을 비롯한 국내 국내 공동 연구진과의 공동연구를 통해, 4가지 서로 다른 자성 상태를 조절할 수 있는 2차원 자석을 합성해냈다. 연구팀은 지난 해 고온에서도 자성이 유지되고 전기가 통하는 2차원 층상 물질인 철-저마늄-다이텔루라이드(이하 Fe4GeTe2)의 설계 및 합성에 성공한 바 있다. 나아가 연구팀은 층 사이 자성결합 세기에 따라 Fe4GeTe2의 자성상태가 민감하게 변하는 데 착안하여, 층간 결합 세기를 조절하기 위해 Fe4GeTe2의 일부 철 원자를 다른 원자로 치환하는 실험을 계획했다. 철 원자와 비슷한 망간, 코발트, 갈륨, 루테늄 원자를 후보로 하여, 각 원자로 치환했을 때 자성상태를 계산하고 실제 합성과 측정 실험을 수행했다. 그 결과 철을 코발트로 치환한 철-코발트-저마늄-다이텔루라이드(이하 Fe4-xCoxGeTe2)가 4가지 자성상태를 가질 수 있음을 발견했다. Fe4-xCoxGeTe2는 코발트 원자 농도에 따라 다른 자성상태를 갖는다. 이때 자성의 정렬에 따라 강자성과 반강자성, 방향에 따라 수직 이방성과 수평 이방성이 조합되는 4가지 자성상태를 가질 수 있었다. 이번에 발견한 물질은 코발트 농도 뿐 아니라 박막의 층수를 조절해 자성 상태를 조절할 수 있다. 4가지 자성상태는 특정 온도 영역에서 나타나는데, 층수에 따라 그 영역이 달라진다. 따라서 층수를 변경하면 같은 온도라도 다른 자성 상태를 갖게 된다. 이는 자성상태를 조성과 두께를 이용해 자유자재로 조절할 수 있는 최초의 2차원 자석을 합성한 성과로, 향후 서로 다른 자성상태의 층을 결합하면 스핀정보 처리에 유용한 특성을 유도할 수 있을 것으로 기대된다. 이번 연구성과는 저명 국제학술지 ‘네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 12.121)’지에 5월 14일(한국시간) 온라인 게재됐다.

Gil young, Cho Physical Review Letters 126, 186601 (2021)

[조길영 교수 연구실] 비 페르미 액체를 구현하는 효과적인 방법을 발견

Caption: (a) 1차원 도선이 만나는 연결 지점에서의 전자들의 hopping과 back scattering등에 대한 섭동으로써 0차원 전도율을 계산할 수 있고, 이를 (b) 네트워크 물질에 대한 2차원 전도도로 확장. (c) 2차원 네트워크 물질의 온도에 대한 “상도표”. 포스텍(포항공대) 조길영 교수 연구팀이 비 페르미 액체를 구현하는 효과적인 방법을 발견했다. 물리학과 조길영 교수 연구팀은 비 페르미 액체 (Non-Fermi liquid)를 2차원 네트워크 구조를 통해 구현할 수 있음을 보였다. 이 연구는 미국 물리학회의 저명 학술지인 Physical Review Letters 최신호에 게재됐다. 이번 연구는 비 페르미 액체를 보편적으로 구현할 수 있는 새로운 모델을 제공했을 뿐만 아니라 고온 초전도체 및 금속-비금속 상전이와 같은 다체 (many-body) 현상을 이론적으로 기술하는 아이디어를 제시한 연구로 평가된다. 일반적인 금속은 전자의 들뜸이 준입자(quasi particle)로써 설명되는 란다우 페르미 액체 이론(Landau Fermi liquid theory)으로써 기술 된다. 하지만 구리산화물과 같은 고온 초전도체는 페르미 액체 이론을 따르지 않는다는 것이 알려졌고, 이에 따라 란다우 페르미 액체 이론을 따르지 않는 비 페르미 액체가 주목을 받아왔다. 본 연구에서는 뒤틀린 이중층 그래핀, 그래핀 위의 헬륨, 무아레 전이금속 등에서 볼 수 있는 네트워크 구조에서 비 페르미 액체가 발현될 수 있음을 보였다. 2차원 네트워크 구조를 1차원 도선의 배열(array)으로 모델링하였고, 각 도선이 만나는 연결 지점에서의 전자들의 hopping, backscattering등의 섭동이론으로 전기적 저항을 계산하였다. 그 결과 란다우 액체 이론과 완전히 다른 온도 의존성을 보였을 뿐 아니라 물질의 세부 사항에 상관없이 전자들의 상호작용의 세기에 의해서만 결정되는 보편적 매개변수로 스케일링 된다는 것을 보였다. 이번 연구를 주도한 조길영 교수는 “해당 연구가 기존의 이론으로 잘 설명되지 못한 많은 강상관 비-페르미 전자계 관련 실험들을 설명해줄 것”이라고 밝혔다.

Kim, Bumjoon Nature Communications (2021. 03) DOI: 10.1038/s41467-021-22133-z

[김범준 교수 연구실] 엑시톤 불안정성 관측

Caption: Ta2NiSe5 라만 스펙트럼에서 얻은 정적 전자 감수율. a,b, 상전이 온도 (TC=325 K) 근처에서 낮은 에너지 영역의 신호가 증가함을 볼 수 있으며 c,d,e, 정적 전도율이 큐리-바이스 법칙을 잘 따름을 볼 수 있다. [김범준 교수 연구실] 엑시톤 불안정성 관측 고체 내 다체 상호작용은 기존의 밴드 이론으로 설명하기 힘든 고온 초전도 등의 독특한 현상을 만들어내며, 이들의 메커니즘을 이해하는 것은 응집물질물리 분야의 숙제로 자리매김하고 있다. 이런 현상 중 하나로써 엑시톤 절연체는 전자-양공 쌍의 강한 상호작용에 기인하고, 초유동성 등의 물성 덕에 물리적으로나 공학적으로나 중요한 가치를 지니고 있다. 이론 상으론 이미 반 세기 전에 예측되었음에도 불구하고, 실제 3차원 물질에서의 실험적 증거는 현재까지도 불분명한 상태이다. 그동안 TiSe2, Tm(Se,Te) 등의 물질들이 후보로 제시되며 많은 연구가 이뤄졌지만, 상전이와 함께 나타나는 전하 밀도 파(CDW) 때문에 엑시톤 절연체와 파이얼스 절연체 사이의 논쟁이 끊이지 않고 있다. 또다른 후보 물질인 Ta2NiSe5의 경우 CDW는 없으나 전기적 상전이와 구조적 상전이가 동시에 일어나기에, 엑시톤 절연체가 아닌 일반적인 밴드 절연체라는 주장이 지속적으로 제기되고 있으며, 이 문제에 대한 확실한 실험적 증거는 미비한 상황이다. 물리학과 김범준 교수, 김광래 학생, 김훈 학생 연구팀은 편광 분해 라만 분광법을 활용하여 Ta2NiSe5의 상전이가 구조적 요인이 아닌 전자적 요인에서 비롯됨을 밝히고, 해당 물질에서 엑시톤 절연체의 가능성을 확인하는 결정적인 단서를 관측하였다. 라만 분광은 레이저를 이용해 고체 내에서의 여러 준입자를 관측하며, 빛의 편광을 바꾸어가며 대칭성 분석이 용이하기에 폭넓게 활용되고 있는 실험기법이다. 김범준 교수 연구팀은 직접 라만 분광기를 구축함으로써, 타 연구팀 대비 2배 이상의 분해능과 1 meV 이하 에너지 영역까지 관측 가능한 장비를 갖추었으며, 이를 통해 기존 연구에서는 발견하지 못했던 저에너지의 새로운 전자 라만 산란 신호를 관측하였다. 또한 추가적인 분석을 통해 해당 신호가 전자-양공 쌍과 같은 대칭성을 지닌다는 사실과, 전기적 라만 감수율이 상전이 온도 위에서 온도의 역수에 비례하는 퀴리-바이스 현상을 보이는 것을 확인하였다. 이를 통해 Ta2NiSe5의 상전이가 전자적 불안정성에 기인함을 직접적으로 밝혀내었으며, 구조적 요인과 밀접한 관련이 있는 포논이 상전이 온도 근처에서 사라지지 않는다는 점을 토대로, 상전이 현상의 원동력에서 구조적 요인을 배제하였다. 이 연구결과는 향후 소자 공정에 응용 가능한 엑시톤 절연체의 연구에 박차를 가할 뿐만 아니라, Ta2NiSe5와 같이 여러 성질의 불안정성이 함께 공존하는 경우 편광 분해 라만 분광법을 통해 주된 요인과 부가적인 것을 구분해낼 수 있음을 확인하며 라만 분광의 활용 분야를 한 폭 더 넓혔다. 이 연구는 POSTECH/IBS 김종환 교수팀, 김준성 교수팀과 공동연구로 진행되었고, 저명 학술지인 Nature Communications에 3월 30일자로 온라인 출간되었다.

Song, Changyong ACS Nano (2021. 01)

[송창용 교수 연구실] 엑스선자유전자레이저를 이용한 개별 코어-쉘 나노입자가 가지는 3차원 구조 앙상블의 고효율적 분석

Caption: XFEL을 이용한 3차원 구조 앙상블 분석의 모식도. 좌측부터 XFEL을 이용한 단일입자 회절 측정, 머신러닝을 활용한 3차원 구조 복원, 표면 구조 및 3차원 변형의 정량 분석 [송창용 교수 연구실] 엑스선자유전자레이저를 이용한 개별 코어-쉘 나노입자가 가지는 3차원 구조 앙상블의 고효율적 분석 나노입자는 자연적인 입자들에서 나타나지 않는 특이한 성질들을 가지는데, 특히 3차원 구조의 설계와 내부 구성물질에 따라 입자의 물리/화학적 성질을 조절할 수 있어 다양한 방면에서 응용이 되고 있다. 또한 최근 SARS-CoV-2가 전세계를 위협하면서 바이러스의 구조에 대한 연구의 필요성이 대두되고 있다. 나노입자와 바이러스의 공통점은 주기적으로 배열된 결정이 아닌 나노미터 수준의 독립적인 입자의 형태로 존재하고, 구조가 완벽히 동일하지 않다는 것이다. 따라서 정확한 이해를 위해서는 개별 입자의 구조를 분석함과 동시에 수 천~수 십만 개의 입자가 가진 구조의 분포를 통계적으로 분석할 수 있어야 한다. 물리학과 송창용 교수, 조도형 학생 연구팀은 엑스선 스선자유전자레이저(XFEL)와 머신 러닝을 활용하여 기존 방법들이 가진 물리적 한계를 극복하여 수 천개의 나노입자가 가지는 3차원 구조의 통계적 분포를 나노미터 수준에서 관측했다. 기존 전자현미경은 전자의 투과 깊이가 짧아 시료 크기에 제한이 있고, 엑스선이미징은 엑스선에 의한 시료 손상으로 인해 충분한 분해능을 얻기 어려웠는데, 태양보다 100경배 밝은 4세대 방사광원으로 알려진 XFEL을 사용하여 이러한 물리적 한계를 극복하고, 동시에 빠른 속도로 수 천개의 나노입자의 구조를 분석하였다. 그 결과 300 nm 크기의 나노입자의 3차원 구조를 20 nm의 해상도로 얻을 수 있었다. 특히 머신 러닝을 이용해 수 천개의 나노입자가 가지는 3차원 구조룰 복원하였다. 기존 3차원 복원 방법은 한 가지 3차원 구조만을 가정하기 때문에 시료 구조가 일정하지 않은 실제 실험 데이터에선 구조 복원이 어려웠다. 그러나 다중-모형을 새롭게 도입하면서 3차원 구조 복원에 성공했다. 또한 이번 실험에 쓰인 나노 입자를 크게 4가지 모양으로 분류하는 것이 가능하며 그중 약 40% 입자들이 유사한 구조를 가지고 있음을 알 수 있었다. 나아가 복원된 3차원 구조의 정량 분석을 통해 나노입자가 가지는 특징적인 24면체 구조를 확인할 수 있었으며, 내부에서 나타나는 밀도 분포로부터 내부의 탄성 변형(elastic strain)의 양상을 확인하였다. 이번 연구결과는 머신 러닝을 활용해 모양이 일정하지 않은 수 천개의 나노입자의 구조로부터 고분해능의 3차원 구조를 얻어 이후 XFEL을 이용한 3차원 이미징에 개발에 속도를 가할 것으로 기대된다. 또한 정량 분석을 통해 나노입자의 높은 반응성과 연관이 있는 것으로 알려진 입체구조 및 변형 양상을 얻을 수 있고, 기존 연구에서 부족했던 통계적 정보를 제공하여 관련 연구에 중요한 정보를 제공할 것으로 기대된다. 그리고 유동적인 생체 거대분자나 바이러스의 구조에 대한 연구에도 적용이 가능할 것으로 기대된다. 이 연구는 NUS(싱가포르) N. D. Loh 교수팀, KAIST 한상우 교수팀, GIST/IBS 노도영 교수팀와 공동연구로 진행되었고, 저명 학술지인 ACS Nano에 1월 28일자로 온라인 출간되었다.

Gil young, Cho Physical Review Letters 126, 016402 (2021)

[조길영 교수 연구실] Many-Body Invariants for Chern and Chiral Hinge Insulators

Caption: (a) 다체불변량(Many-body invariant)를 사용한 천 부도체(Chern insulator) 및 (b) 모서리 부도체 (Hinge insulator)의 상 분류. (c) 천 부도체와 (d) 모서리 부도체의 다체불변량을 그래프 위의 두 점이 주는 기울기로 부터 알 수 있다. 포스텍(포항공대) 조길영 교수 연구팀이 강상 위상 상태를 분류하는 효과적인 방법을 발견했다. 물리학과 조길영 교수 연구팀은 고차위상상태를 다체불변량(Many-body invariants)를 통해 분류할 수 있으며 다체불변량을 기존의 방식보다 적은 정보를 사용해 계산해낼 수 있음을 보였다. 이 연구는 미국 물리학회의 저명 학술지인 Physical Review Letters 최신호에 게재됐다. 이번 연구는 고차위상상태에 대한 통합된 시각을 제공했을 뿐만이 아니라 고차위상상태를 보다 효과적인 방식으로 연구할 수 있는 아이디어를 제시한 연구로 평가된다. 위상 부도체는 양자화된 비대칭 전하 운반(quantized chiral charge pumping)에 의해서 분류된다. 위상 부도체중 하나인 천 부도체(Chern insulator)는 운반되는 전하의 양이 천 수(Chern number)로 정해진다는 사실이 알려져 있다. 본 연구에서는 이것을 확장하여 고차위상부도체에 대한 천 숫자로써 다체불변량(Many-body invariants)을 제안했고, 예시로 고차위상부도체 중 하나인 “모서리 부도체(Hinge insulator)”에 대해서 다체불변량을 계산하였다. 또한 다체불변량이 양자화된 다중극자의 운반에 해당함을 확인하였다. 한편, 천 숫자를 포함해 다체불변량을 계산하기 위해서는 일반적으로 많은 수의 기저상태 계산을 필요하다. 하지만 본 연구에서는 단 두 개의 기저상태만을 사용하여서 다체불변량을 계산하는 방법을 제안하고 있으며, 연구를 주도한 조길영 교수는 “현재 연구를 통해 강상 위상 물질의 효율적 탐색이 가능해질 것”이라고 밝혔다.

Lee, Hyun-Woo Advanced Materials (2020. 12)

[이현우 교수 연구실] 스핀-궤도 토크를 통한, 2차원 자성체 Fe3GeTe2의 자성 제어 구현

Caption: (a) Fe3GeTe2의 원자 구조. (b) Fe3GeTe2를 흐르는 전류 때문에 생기는 스핀-궤도 토크가 Fe3GeTe2의 보자력장을 변화시키는 현상에 대한 개략도. (c) 단위 전류밀도당 생성되는 스핀-궤도 토크의 크기를 여러 물질에 대해 비교한 그래프. [이현우 교수 연구실] 스핀-궤도 토크를 통한, 2차원 자성체 Fe3GeTe2의 자성 제어 구현 개인용 컴퓨터에 들어 있는 SRAM, DRAM은 높은 속도로 동작이 가능하지만 전원이 꺼지는 순간 모든 정보를 잃어버린다. 반면, 전원이 꺼져도 정보가 유지되는 정보저장 장치들은 동작 속도가 느리다. 이런 장치들 중 비교적 빨라서 각광 받는 솔리드 스테이트 드라이브도, 핵심 소자인 Flash RAM의 동작 속도는 SRAM, DRAM보다 수십 배 이상 느리다. 차세대 메모리로 주목받는 자기(磁氣) 메모리(Magnetic RAM, MRAM)는 전원이 꺼져도 정보가 유지되면서도 SRAM, DRAM과 대등한 동작 속도를 낼 수 있어 많은 메모리 업체에서 연구가 진행 중이다. 그런데 자기 메모리에 정보 기록을 위해서는 전력이 많이 소모된다는 문제가 있어 이 문제점을 해결하는 것이 자기 메모리 연구의 주요 목표이다. 물리학과 이현우 교수, 한승윤, 임미진, 조대근 학생 연구팀은 서울대 물리천문학부 박제근 교수팀과의 공동연구를 통하여, 자기메모리의 전력 소모를 낮추고 에너지 효율을 높이는 새로운 방법을 찾아냈다.이번 연구는 저명 학술지인 Advanced Materials에 12월 6일자로 online 출간되었다. 연자성 물질은 자석의 N극과 S극 방향이 쉽게 뒤바뀌는 자석 물질로서, 자석의 N극과 S극이 어느 방향을 가리키는지를 이용해 정보를 저장하는 자기 메모리에 연자성 물질을 사용하면 낮은 에너지로도 N극과 S극의 방향을 쉽게 바꿀 수 있어 정보를 쉽게 쓸 수 있고 에너지 효율이 높아진다. 그러나 연자성 물질은 자기장에 살짝만 노출되어도 N극과 S극 방향이 쉽게 바뀌기 때문에, 자기메모리를 연자성 물질로 만들 경우 정보를 안정적으로 오래 저장할 수 없다는 치명적인 문제가 있다. 이런 이유 때문에 자기메모리에 대한 기존 연구는 모두, N극과 S극 방향이 쉽게 바뀌지 않는 강자성 물질을 사용해 이루어져 왔다. 단 이 경우 N극과 S극의 방향이 쉽게 바뀌지 않기 때문에 정보를 기록하기 위해서는 강한 자극을 주어야 하고 이로 인해 에너지 효율이 낮아지는 문제가 생긴다. POSTECH-서울대 공동연구팀에 의하면, Fe3GeTe2는 강자성 물질로서 N극과 S극 정보를 안정적으로 유지할 수 있는데 새로운 정보를 쓰려고 할 때만 Fe3GeTe2를 연자성 물질로 바꿀 수 있고 이 성질을 이용하면 정보 저장의 안정성과 정보 저장의 에너지 효율을 동시에 높이는 것이 가능하다.

Journal of the American Chemical Society (2020. 10) (https://doi.org/10.1021/jacs.0c09442)

[민병일 교수 연구실] 플루토늄-붕소 화합물 PuB4 표면에서의 wallpaper fermion 예측

Caption: (a) PuB4의 (001) 표면에서의 에너지띠 구조. (b) PuB4 (001) 표면에 존재하는 다양한 페르미온: Dirac fermion at Γ ̅, wallpaper fermion at M ̅, and nodal-line-type fermion at X ̅. 플루토늄-붕소 화합물 PuB4 표면에서의 wallpaper fermion 예측 물리학과 민병일 교수, 류동춘 박사, 김준원 박사 연구팀은 서울대 IBS 강상관계 물질 연구단의 최홍철 박사와의 공동연구를 통해, 5f-전자 콘도 절연체 (Kondo insulator)인 PuB

Min, Byung Il Physical Review Letters 125, 157001 (2020)

[민병일 교수 연구실] 호이슬러 화합물 LuPd2In에서 비정상적 양자 상전이 현상 발견

Caption: (a) 통상적인 전하밀도파 물질에서 보이는 정상적 양자 상전이. (b) LuPd2In에서 보이는 초전도상에서 전하밀도파상으로의 비정상적 양자 상전이. [민병일 교수 연구실] 호이슬러 화합물 LuPd2In에서 비정상적 양자 상전이 현상 발견 담당교수: 민병일, 박재훈 물리학과 민병일 교수, 김희정 박사 연구팀은 물리학과 박재훈 교수, 화학과 심지훈 교수, 한국원자력연구소 김규 박사, 경북대 김수란 교수 연구팀과의 공동연구를 통하여 초전도상에서 전하밀도파상으로 특이 상전이를 보이는 새로운 물질을 구현하였다. 이번 연구는 저명 학술지인 Physical Review Letters 최신호 (2020.10)에 게재 되었다. 초전도현상과 전하밀도파 현상은 전자와 포논의 상호작용에 의해 매개되므로 둘의 상태는 보통 경쟁하는 관계이다. 따라서 전하밀도파를 보이는 물질에 압력을 가하거나, 전자 또는 다른 원자를 첨가하는 것과 같은 외부 변수에 의해 전하밀도파를 억제하고 초전도 현상을 구현하는 사례가 종종 있어왔다 (그림 (a)). 이번에 민병일 교수 연구팀이 구현한 것은 위와 반대의 경우로, 그림 (b)와 같이 초전도 현상을 띠는 희토류 기반 LuPd2In 호이슬러 화합물에서 압력에 가함에 따라 초전도상에서 전하밀도파상으로의 역상전이 가능성을 이론적으로 발견한 것이다. 기존의 상식과는 다른 이러한 특이 상전이 현상은 LuPd2In에 존재하는 특정 포논의 소프닝에 기인한 것임을 보였다. 이러한 비정상적 양자 상전이를 보이는 물질은 아직까지 발견된 바가 없어, 민병일 교수 연구팀의 LuPd2In 화합물에 대한 이론적 예측이 추후 실험적으로 증명된다면 초전도와 전하밀도파의 상관관계와 양자 상전이 현상을 연구하는데 큰 진전을 가져올 것으로 기대된다.

Lee, Daesu Nature Commun. 11, 4944 (2020)

[이대수 교수 연구실] 비평형 원자구조를 이용해 고기능성 산화물 이종구조 구현

Caption: 투과전자현미경을 통한 산소팔면체 회전 패턴 및 강유전성의 원자단위 시각화 포스텍(포항공대) 이대수 교수 연구팀이 비평형 원자구조를 이용해 고기능성 산화물 이종구조를 구현하였다. 물리학과 이대수 교수 연구팀, 신소재공학과 최시영 교수 연구팀, 서울대학교 노태원 교수 연구팀, 숭실대학교 박세영 교수 연구팀, 광주과학기술원 이종석 교수 연구팀, 그리고 Rutgers University 연구팀과의 (국제) 공동연구를 통해, 원래 비평형 상태였던 원자구조를 인공적으로 안정화하고, 이를 통해 상온 강유전성을 구현할 수 있음을 보였다. 이 연구는 저명 학술지인 Nature Communications 최신호에 게재됐다. 이번 연구는 새로운 개념의 기능성 이종구조 합성법을 제시함으로써 반전 비대칭성에 기반을 한 여러 양자 물성 연구에 응용할 수 있는 토대를 마련한 연구로 평가된다. 페로브스카이트 구조의 산화물은 산소 팔면체의 회전에 따라 원자구조가 틀어지고, 그 성질이 결정된다. 실제로는 안정적인 평형상태의 산소 팔면체는 몇 개 되지 않아 페로브스카이트 산화물의 특성과 기능이 제한적이 될 수밖에 없다. 본 연구에서는 이종구조 설계/합성을 통해 새로운 산소 팔면체 회전 패턴을 인공적으로 안정화하였고, 이를 통해 상온 강유전성이 발현될 수 있음을 보였다. 연구를 주도한 이대수 교수는 “미세한 원자구조의 변이를 제어해 독특한 산소 팔면체의 구조를 실현해 자연에서는 볼 수 없는 새로운 물리적 현상을 만들 수 있음을 확인했다”며 “특히, 물리학과와 신소재공학 융합 연구의 성과로 소재 설계를 위한 계산, 새로운 물질 합성, 새로운 현상을 이해하기 위한 분석이 가능하다는 것을 확인해 의미가 크다”고 평가했다.

Lee, Gil-Ho Nature volume 586, pages42–46(2020)

[이길호 교수 연구실] 초고감도 마이크로파 검출기 개발

Caption: 그래핀 기반 마이크로파 볼로메터 이길호 교수 연구팀이 마이크로파를 이론적 한계인 1초안에 1아토와트(100경분의 1와트) 수준으로 검출할 수 있는 초고감도 검출기를 개발했다. 이 연구는 미국 레이시온 비비엔 社, 하버드대학교, 매사추세츠 공과대학교, 스페인 바르셀로나 과학기술연구소, 일본 물질재료연구기구와 공동으로 진행됐다. 연구 결과는 차세대 양자정보기술 상용화를 위한 원천 연구로 인정받아 9월 30일(영국 현지시간) 최상위 국제학술지 '네이처(Nature)'에 게재됐다. □ 소재와 구조 혁신 통해 양자기술 실용화 앞당길 초고감도 마이크로파 검출기 개발 전자기파의 한 종류로 전자레인지에 사용돼 우리에게 익숙한 마이크로파는 이동통신, 레이더, 천문학 등 폭넓은 과학 기술 분야에서 활용되고 있다. 최근에는 양자컴퓨팅, 양자정보통신 등 양자정보기술에도 활용 가능하다고 알려지면서, 마이크로파를 초고감도로 검출하려는 연구가 활발히 진행중이다. 현재 마이크로파 검출기로 사용되는 볼로미터는 마이크로파 흡수 소재, 흡수한 마이크로파를 열로 바꿔주는 소재, 발생한 열을 전기 저항으로 변환하는 소재로 구성되며, 전기적인 저항의 변화를 이용해 흡수된 마이크로파의 크기를 계산한다. 그러나, 볼로미터는 실리콘이나 갈륨비소 등 반도체 소자를 마이크로파 흡수 소재로 사용하기에 검출 한계가 1초간 측정 기준 1나노와트(10억분의 1와트) 수준에 머무는 등 정밀한 크기 측정이 불가능했다. 이길호 교수 연구팀은 볼로미터의 소재와 구조 혁신을 통해 이 한계를 돌파했다. 먼저 마이크로파 흡수 소재로 반도체가 아닌 그래핀을 사용해 마이크로파 흡수율을 높였다. 그리고 두 개의 초전도체 사이에 그래핀을 끼워 넣는 '조셉슨 접합 구조'를 도입해 그래핀에서 발생하는 전기 저항 변화를 10피코초(1000억분의 1초)이내로 검출할 수 있게 했다. 그 결과 마이크로파 검출을 이론적 한계인 1초간 측정 기준 1아토와트(100경분의 1와트) 수준으로 높일 수 있었다. 이길호 교수는 "이번 연구는 차세대 양자소자를 실제로 구현하기 위한 기반 기술을 구축했다는데 의미가 있다"며 "이 기술을 통해 양자컴퓨팅 측정효율을 극대화하고 대규모 양자컴퓨터 개발의 단초를 마련할 수 있을 뿐만 아니라 우주배경복사, 암흑물질 등 기초과학 연구에 활용될 것으로 기대한다"고 말했다. 논문 링크: https://www.nature.com/articles/s41586-020-2752-4 [정우찬 통합과정(좌), 이길호 교수(우)]