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.

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