Gil young, Cho Phys. Rev. Lett. 124, 137002

[조길영 교수 연구실] T1-TaS2 에서의 네트워크 구조를 계산하여 초전도 메커니즘을 규명

Caption: (a) 〖1T-TaS〗_2의 거의 결맞는 전하밀도파상에서 발현되는 육각 네트워크 초격자. 해당 모델에서 계산된 (b) 밴드도표 및 (c) 초전도와 강자성에 대한 상도표. (d) 네트워크 초격자 상의 고차 위상물질에 대한 국소화된 전자. 포스텍(포항공대) 조길영 교수 연구팀이 1T-TaS_2에서의 네트워크 구조를 계산하여 초전도 매커니즘을 규명하였다. 물리학과 조길영 교수 연구팀과 염한웅 교수 연구팀이 (국제) 공동연구를 통해, 1T−Ta S 2 와 다양한 전하 밀도파 물질에서의 초전도를 네트워크 초격자 구조를 통해 이해할 수 있음을 보였다. 이 연구는 미국 물리학회의 저명 학술지인 Physical Review Letters 최신호에 게재됐다. 이번 연구는 네트워크 초격자와 초전도의 관계에 대한 새로운 시각을 제시함으로써, 강상관전자계를 효과적으로 이해하고 기술할 수 있는 아이디어를 제시한 연구로 평가된다. 물질의 특성은 에너지와 결정운동량의 관계를 보여주는 밴드도표(band diagram)를 통해 이해된다. 그중, 결정운동량에 대해 일정한 에너지를 가지는 평평한 밴드(flat band)는 발산하는 상태 밀도(Density-of-states, DOS)를 보여주어 오랫동안 고온 초전도로의 열쇠로서 주목을 받아왔다. 하지만, 실제 물질에서는 다양한 상호작용과 섭동이 존재하기에 평평한 밴드가 구현되기 쉽지 않다. 예를 들면, 카고메 격자(Kagome lattice)와 같은 모델은 이웃하는 이온보다 먼 전자의 이동을 고려하게 되면 평평한 밴드가 휘어지게 된다. 이번 연구는 외부 섭동에 대해 잘 휘어지지 않는 평평한 밴드를 실현하는 새로운 원리를 제시하고 있다. 이러한 원리를 통해, 본 연구진은 1차원 도선이 연결된 형태의 네트워크 초격자에서 평평한 밴드가 나타나고, 각 도선 위의 전자 간의 양자역학적 상쇄간섭을 통해 평평한 밴드가 발현됨을 보였다. 특히 1T−Ta S 2 의 거의 결 맞는 전하 밀도파(NC-CDW) 상에서 이러한 육각 네트워크 초격자가 형성됨이 이용, 1T−Ta S 2 에서 초전도가 나타나는 매커니즘을 평평한 밴드와 관련 지어 설명할 수 있을 것으로 보인다. 또한, 이번 연구는 네트워크 초격자상에서 고차위상상태(Higher-order topological phase)가 자연스럽게 나타남을 보이고 있다. 고차위상물질이란 간단히 말해 표면의 표면, 즉 3차원의 경우 모서리(1d)에 국소화된 전류가 흐르거나 2차원의 경우 꼭지점에 국소화된 전하가 존재하는 상태를 말한다. 이번 연구는 네트워크 초격자상에서의 고차위상물질이 기존의 것과 달리 각 도선 교차점에서 전하가 국소화 됨을 보였다. 연구를 주도한 조길영 교수는 “본 연구는 최근 이슈가 되고 있는 초격자에 대한 새로운 연구 방향을 제시하며, 훗날 강상관전자계의 미지의 영역으로서 주목을 받을 것으로 기대한다.” 라고 밝혔다.

2020-09-22 Nature Materials(2020)

[이길호 교수 연구실] 텅스텐 디텔루라이드 물질에서 고차원 위상부도체상 관측

Caption: 고차원 위상부도체와 경첩 상태 텅스텐 디텔루라이드 물질에서 고차원 위상부도체상 관측 ‘겉과 속이 다른 물질’로도 불리는 위상부도체(topological insulator)는 고체 물리학의 패러다임을 바꾼 물질이다. 위상부도체는 원래 전기가 통하지 않는 물질이지만, 위상이 다른 두 물질의 경계에서 전도성을 갖는다. 이 독특한 성질 때문에 양자 컴퓨터 등 미래 과학 분야의 다양한 영역에서 활용될 것으로 기대를 모은다. 위상부도체 자체도 아직 많이 발견되지 않고 있지만, 고차원 위상부도체는 지금까지 이론상 있을 것이란 예측만 무성했던 존재였다. POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 물리학과 이길호 교수팀은 미국 레이시언 BBN 테크놀로지, 독일 막스플랑크 연구소, 홍콩과기대와의 공동연구를 통해 고차원 위상부도체의 존재를 관측하는 데 성공했다. 네이처의 자매지 ‘네이처 머터리얼스(Nature Materials)’ 6일자를 통해 발표된 이 연구성과는 더욱 고차원적인 새로운 개념의 양자컴퓨터를 만들 수 있는 중요한 실마리를 제공할 것으로 기대를 모으고 있다. 위상부도체는 위상수학이 적용되며 2007년 처음 생긴 개념으로, ‘위상학적 꼬임’에 의해 부도체지만 가장자리에서는 전기가 통하는 물질이다. 통상적인 위상부도체보다 꼬임이 더 많이 일어나는 고차원 위상부도체(higher-order topological insulator, HOTI)는 이론적 예측만 많고, 실제로 확실하게 관측된 사례는 거의 없었다. 연구팀은 이 관측에 초전도체 연구의 핵심이기도 한 조셉슨 접합을 활용했다. 조셉슨 접합은 두 초전도체 사이에 비(非) 초전도물질을 사이에 끼워 넣어도, 전압 없이도 두 초전도체 사이에 전류가 흐르게 되는 것을 의미한다. 고차원 위상부도체에는 1차원의 경첩(hinge)상태가 나타나는 것으로 예측되었는데, 이런 경첩 상태는 금속성 몸통 때문에 제대로 관측하기 어려웠다. 그래서 연구팀은 조셉슨 접합을 만들어 외부 자기장에 의해 어떻게 전류가 흐르는지를 관측하는 기발한 방법을 선택했다. 고차원 위상부도체로 예상되던 텅스텐 디텔루라이드(WTe2) 에 초전도 조셉슨 접합을 형성해 관측한 결과 이론적 예측과 부합하는 경첩 상태를 확인했다. 이 연구성과는 기존의 위상부도체 개념을 고차원으로 일반화시키는 개념으로, 이론으로만 존재 여부를 생각할 수 있었던 물질이 실제로도 존재한다는 것을 확인한 결과다. 또, 초전도와 위상물질의 접합에 관한 연구로서, 위상초전도 현상 연구의 기반이기도 하다. 특히, 이 연구는 위상양자컴퓨터라는 새로운 개념의 양자 컴퓨터로 한 걸음 더 가까워질 수 있는 중요한 연구결과로 평가되고 있다. 지금까지 연구되어 왔던 일반 양자컴퓨터의 경우 치명적인 약점으로 ‘결 어긋남’이라는 현상이 제기되고 있는데, 이는 외부잡음 때문에 양자정보를 잃어버려 컴퓨터가 오류를 일으킬 수 있다는 것을 의미한다. 위상양자컴퓨터의 경우는 양자정보가 위상학적 보호를 받기 때문에 외부잡음에도 오류가 나지 않아 실용화 가능성이 더 높은 차세대 양자컴퓨터 개념으로 주목을 모으고 있다. 한편, 이번 연구성과는 삼성미래기술육성재단과 한국연구재단의 지원으로 수행됐다. 논문 링크: https://www.nature.com/articles/s41563-020-0721-9

Kim, Yoon-Ho Physical Review Letters 124, 210401 (2020)

[김윤호 교수 연구실] 적응형 압축 센싱을 이용해서 효율적으로 양자 채널을 검증할 수 있는 방법

Caption: (왼쪽) 적응형 압축 센싱 토모그래피(ACQPT)를 위한 실험 셋업. (오른쪽) 256번 측정을 통한 일반적인 토모그래피 (Standard QPT) 결과와 39번 측정을 통한 ACQPT 결과의 비교 포스텍(포항공대) 김윤호 교수 연구팀이 적응형 압축 센싱을 이용해서 효율적으로 양자 채널을 검증할 수 있는 방법을 개발하였다. 물리학과 김윤호 교수 연구팀의 김요셉 학생은 서울대학교 물리학과 정현석 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 적응형 압축 센싱 (compressive sening)을 이용해서 효율적으로 양자 채널을 검증할 수 있는 방법을 개발하였다. 이 연구는 저명 학술지인 Physical Review Letters 최신호 (2020.5)에 게재됐다. 본 연구는 양자 채널에 대한 사전 정보가 필요한 기존의 압축 센싱 방법과는 달리 채널에 대한 정보를 전혀 가정하지 않고도 측정의 횟수를 줄일 수 있어 높은 신뢰성과 효율성을 가진 양자 채널 검증 방법으로 평가된다. 양자 통신, 양자 컴퓨터 등과 같은 양자정보기술은 양자 시스템과 시스템의 상태를 변화시키는 양자 채널을 사용해서 구현한다. 하지만 양자 시스템의 크기가 커짐에 따라 양자 채널 검증에 필요한 측정 횟수가 기하급수적으로 증가하기 때문에 대규모 양자정보기술 검증에 큰 어려움이 있다. 이를 극복하기 위해 양자 채널 검증에 필요한 측정 횟수를 줄이기 위한 다양한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이미지 프로세싱 분야에서 개발된 압축 센싱은 행렬 원소 대부분의 값이 0이거나 행렬의 계수(rank)가 낮을 경우 적은 측정으로도 전체 행렬을 복원하는 기술이다. 일반적으로 양자 채널 행렬은 계수가 낮기 때문에 압축 센싱을 사용하면 측정 횟수를 상당히 줄일 수 있다. 하지만 양자 채널의 계수를 잘못 가정하면 압축 센싱은 왜곡된 결과를 주어 큰 위험성이 따른다. 이번 논문을 통해 저자들은 양자 채널에 대한 사전 정보 없이도 압축 센싱을 적용할 수 있고 매 측정 시 이전의 측정 결과를 바탕으로 하여 최적의 측정 기저(basis)를 적응형으로 선택할 수 있는 적응형 압축 센싱 기술을 개발하였다. 이를 양자 광학 실험으로 구현하여 일반적인 방법으로 256번의 측정이 필요한 특정 양자 채널의 검증을 단 38번의 측정으로 성공하였다. 연구를 주도한 김윤호 교수는 “이번 연구 성과는 양자 채널에 대한 사전 정보 없이도 높은 신뢰성과 효율성으로 양자 채널을 측정할 수 있어 양자정보기술 검증에 유용하게 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

Lee, Daesu Nature Communications 11, 2586 (2020)

[이대수 교수 연구실] 산화물 유전체 초박막에서 초거대 변전저항 효과 발견

Caption: (왼쪽) 변전효과에 의한, SrTiO3 초박막 전기분극 유도. (오른쪽) SrTiO3 초박막에서 변전효과를 통해 구현된 초거대 변전저항 효과. 포스텍(포항공대) 이대수 교수 연구팀이 변전효과를 통하여 유전체 물질의 전기적 상태를 제어할 수 있는 초거대 변전효과를 발견하였다. 물리학과 이대수 교수 연구팀, 서울대학교 물리학과 노태원 교수 연구팀, Pennsylvania State University 연구팀, 그리고 University of Nebraska, Lincoln 연구팀과의 (국제) 공동연구를 통해, 유전체 물질의 전기적 상태를 물질 손상없이 안정적으로 제어할 수 있는 방법을 발견하였다고 밝혔다. 이 연구는 저명 학술지인 Nature Communications 최신호에 게재됐다. 이번 연구는 새로운 개념의 전기저항 방법을 제시함으로써, 유전체의 전기적 특성을 효과적으로 연구하고 응용할 수 있는 토대를 마련한 연구로 평가된다. 물질은 전기적 상태에 따라서 크게 도체, 절연체 (유전체; dielectric), 반도체로 구분할 수 있다. 반도체는 전기적 상태 제어가 용이하여 현대 전기전자공학의 기본이 되는 물질이 되어왔다. 그에 반해, 도체나 유전체는 전기 상태 제어가 힘들다. 도체의 경우, 물질 내부에 전기장이 모두 상쇄되어 없어지고, 유전체의 경우 전기 상태 제어를 위해서는 매우 높은 전기장이 필요하지만 높은 전기장 하에서는 물질이 영구적인 손상을 입을 수 있다. 이를 극복하기 위해, 강한 전기장을 매우 짧게 가해주어 절연체의 상태를 일시적으로 도체로 만드는 연구가 진행되어 왔다. 하지만, 이는 일시적인 제어 방법으로, 정적으로 절연체의 전기적 상태를 제어할 수 있는 방법은 그동안 없었다. 이번 논문을 통해 저자들은 아주 얇은 SrTiO3 박막에 변전효과 (flexoelectricity)를 통해 매우 강한 정전기장을 물질 손상없이 가해줄 수 있다는 것을 발견하였다. 또한, 이러한 비파괴적인 강한 정전기장 하에서 유전체 물질의 밴드 구조가 크게 변형되고 제너 항복 (Zener breakdown)이 일어나 전기적 상태가 도체 상태로 바뀌는 것을 실험적으로 보였다. 연구를 주도한 이대수 교수는 “본 연구는 최근 이슈가 되고 있는 변전효과에 대한 새로운 연구 방향을 제시하며, 기존의 물질 분류에 새로운 시각을 제시하는 한편 유전체를 이용한 새로운 물성/기능성을 설계할 수 있을 것으로 기대한다.” 라고 밝혔다.

Lee, Hu-Jong / Lee, Gil-Ho Nano Letters(11/2019)

[이후종 이길호 교수 연구실]그래핀을 이용한 고효율의 양자얽힘 구현

(왼쪽) 양자얽힘 소자 개형도, (오른쪽) 교차 Andreev 반사 데이터] 그래핀을 이용한 고효율의 전자쌍 양자얽힘 양자컴퓨터의 구현과 도․감청이 원천적으로 차단되는 양자전송을 위해서는 입자간의 양자역학적 상태얽힘 효율을 최대로 높여야 한다. POSTECH(포항공대, 총장 김무환) 연구팀은 두 개의 겹층그래핀을 십 수 나노미터 간격을 두고 수직으로 쌓은 후 이를 초전도체로 연결한 구조에서 전극 간 강한 연계성과 양자얽힘의 획기적인 향상을 확인하였으며, 이는 양자컴퓨터와 양자통신을 위한 전자쌍 양자얽힘을 실현하는 새로운 장을 제공할 것으로 전망된다. POSTECH 물리학과 이길호․이후종 교수 연구실의 박사과정 박건형 씨는 겹층그래핀을 육방정계질화붕소(hBN) 결정막으로 보호하여 그래핀에서 전자의 무질서한 산란을 최소화하였다. 다시 이의 두 층을 수직으로 쌓고 두 겹층그래핀 가장자리를 초전도물질로 연결한 양자얽힘 소자 제작에 성공하였다. 겹층그래핀 사이의 간격을 초전도 결맞음길이보다 훨씬 얇게 하고 겹층그래핀의 특이한 밴드구조를 이용해 양자얽힘 현상과 함께 일어나는 부수 현상들을 효과적으로 차단하여 순수한 양자얽힘 효율을 획기적으로 향상시켰다. 초전도체는 온도를 극저온으로 내리면 전기저항이 사라지고 전력 손실 없이 전류를 계속 흐르게 할 수 있어, 전기․전자 분야에서 광범위하게 응용되고 있다. 그래핀은 탄소로 이루어진 현존하는 가장 얇은 도체로 구리보다 수 백 배 전기를 잘 통하며 실리콘보다 수 백 배 전자를 빨리 이동시키는 등 소자 활용이 매우 기대되는 물질이다. 2차원 물질을 수직으로 쌓아 다양한 기능성을 실현하는 소자 개발이 경쟁적으로 이루어지고 있는 가운데, POSTECH 연구팀이 2차원 물질인 겹층그래핀과 초전도를 결합시켜 전통적으로 연구되어 오던 전자쌍의 양자얽힘 효율을 획기적으로 향상시키는 쾌거를 이룬 것이다. 이 연구팀은 지난 수 년에 걸쳐 그래핀과 초전도를 접합시킨 조셉슨접합에서 새로운 접합 기능을 실현하는 일련의 연구로 국제적인 주목을 받고 있다. 연구를 주도한 이후종 교양자컴퓨터의 구현과 도․감청이 원천적으로 차단되는 양자전송을 위해서는 입자간의 양자역학적 상태얽힘 효율을 최대로 높여야 한다. POSTECH(포항공대, 총장 김무환) 연구팀은 두 개의 겹층그래핀을 십 수 나노미터 간격을 두고 수직으로 쌓은 후 이를 초전도체로 연결한 구조에서 전극 간 강한 연계성과 양자얽힘의 획기적인 향상을 확인하였으며, 이는 양자컴퓨터와 양자통신을 위한 전자쌍 양자얽힘을 실현하는 새로운 장을 제공할 것으로 전망된다. POSTECH 물리학과 이길호․이후종 교수 연구실의 박사과정 박건형 씨는 겹층그래핀을 육방정계질화붕소(hBN) 결정막으로 보호하여 그래핀에서 전자의 무질서한 산란을 최소화하였다. 다시 이의 두 층을 수직으로 쌓고 두 겹층그래핀 가장자리를 초전도물질로 연결한 양자얽힘 소자 제작에 성공하였다. 겹층그래핀 사이의 간격을 초전도 결맞음길이보다 훨씬 얇게 하고 겹층그래핀의 특이한 밴드구조를 이용해 양자얽힘 현상과 함께 일어나는 부수 현상들을 효과적으로 차단하여 순수한 양자얽힘 효율을 획기적으로 향상시켰다. 초전도체는 온도를 극저온으로 내리면 전기저항이 사라지고 전력 손실 없이 전류를 계속 흐르게 할 수 있어, 전기․전자 분야에서 광범위하게 응용되고 있다. 그래핀은 탄소로 이루어진 현존하는 가장 얇은 도체로 구리보다 수 백 배 전기를 잘 통하며 실리콘보다 수 백 배 전자를 빨리 이동시키는 등 소자 활용이 매우 기대되는 물질이다. 2차원 물질을 수직으로 쌓아 다양한 기능성을 실현하는 소자 개발이 경쟁적으로 이루어지고 있는 가운데, POSTECH 연구팀이 2차원 물질인 겹층그래핀과 초전도를 결합시켜 전통적으로 연구되어 오던 전자쌍의 양자얽힘 효율을 획기적으로 향상시키는 쾌거를 이룬 것이다. 이 연구팀은 지난 수 년에 걸쳐 그래핀과 초전도를 접합시킨 조셉슨접합에서 새로운 접합 기능을 실현하는 일련의 연구로 국제적인 주목을 받고 있다. 연구를 주도한 이후종 교수는 “이번 연구성과는 앞으로 그래핀을 포함한 2차원물질을 이용한 양자얽힘 등 양자소자 개발에 새로운 활로를 열 것으로 기대된다”고 밝혔다.

Kim, Yoon-Ho Nature Physics (04/2019)

[김윤호 교수 연구실] 양자상태를 측정할 때 발생하는 기하학적 위상의 메커니즘 규명

(왼쪽) 블로흐 구 위에 나타낸 양자 상태의 변화. (오른쪽) 양자 측정의 기저 ‘b’와 세기를 변화시키며 측정한 기하학적 위상. 포스텍(포항공대) 김윤호 교수 연구팀이 양자상태를 측정할 때 발생하는 기하학적 위상의 메커니즘을 실험적으로 규명하였다. 물리학과 김윤호 교수 연구팀의 김요셉 학생은 한국과학기술연구원(KIST)의 조영욱 박사 연구팀과의 공동연구를 통해 양자상태를 측정할 때 발생하는 기하학적 위상이 측정 반작용(measurement back-action)으로부터 기인한다는 것을 실험적으로 보였다. 이 연구는 물리학 분야 최고 권위지인 Nature Physics 최신호 (2019.4)에 게재됐다. 기하학적 위상의 양자적 특성은 결어긋남에 강하다고 알려져 있어 본 연구는 기하학적 위상을 기반으로 한 양자컴퓨팅 분야 등 양자정보처리연구에 기여할 것으로 기대된다. 양자상태가 조작에 의해 변화한 뒤 다시 기존 상태로 돌아왔을 때 그 과정을 위상의 형태로 기억하는 현상이 발생하는데 이를 기하학적 위상이라고 한다. 저명 물리학자인 ‘마이클 베리’에 의해 1980년대 도입된 기하학적 위상의 개념은 자연계에서 보편적으로 나타나는 현상으로 현재는 화학, 재료공학, 광학, 양자정보 등 여러 분야에서 광범위하게 도입되어 활용되고 있다. 특히, 기하학적 위상의 응용범위가 양자컴퓨팅 구현에 도움이 된다고 알려져 최근 관련 연구자들의 관심을 끌고 있다. 기하학적 위상은 일반적으로 양자상태가 느리게 변화하는 단열과정에서만 발생한다고 여겨졌으나, 즉각적으로 상태가 변화하는 “양자측정” 과정에서도 나타날 수 있음이 예견되었다. 그러나 양자측정과정에서 발생하는 기하학적 위상의 기작은 아직까지 명확하지 않았다. 연구팀은 극도로 잘 제어된 양자측정기술을 통해 큐빗에 저장된 양자정보가 측정반작용에 의해 변화해 가는 기작을 정밀하게 관측하였다. 특히 양자측정에 의한 양자정보의 변화 정도가 기하학적 위상 형태를 가지게 됨을 최초로 보여주었다. 이번 연구를 통해 양자물리계 이해를 위한 중요한 두 개념인 “측정반작용”과 “기하학적 위상”이 서로 간 밀접한 관계를 가짐을 최초로 규명하였다. 또한, 양자측정에서 얻어지는 기하학적 위상이 “양자 약한 값(quantum weak value)”과 연관되어 있음을 밝혔다. 연구를 주도한 김윤호 교수는 “이번 연구는 양자 측정 시 발생하는 기하학적 위상에 대한 깊은 이해를 제공함으로써 기하학적 위상을 활용하는 양자정보처리 연구의 중요한 초석을 마련하였다” 라고 밝혔다.

Kim, Yoon-Ho Physics Review Letters 122, 123607 (2019)

[김윤호 교수 연구실]냉각원자를 이용한 초얽힘 광자쌍 생성 성공

초얽힘 광자쌍의 편광상태와 궤도각운동량의 양자상태를 재구성함. 재구성된 양자상태는 생성된 광자쌍이 편광상태와 궤도각운동량상태에서 동시에 얽힘 상태를 가짐을 보여줌. 냉각원자를 이용한 초얽힘 광자쌍 생성 성공 김윤호 교수 연구실에서는 루비듐 냉각원자를 이용하여 선폭이 매우 좁으면서도 광자의 궤도각운동량과 편광상태가 동시에 얽힘상태에 있는 초얽힘 광자쌍을 생성/측정하는데 성공하였다. 이 연구 결과는 Physical Review Letters 지에 2019년 3월 29일 게재되었다. (주저자: 박사후 연구원 Tianming Zhao 박사) 얽힘 광원은 양자 통신과 양자 컴퓨팅에 필수적인 요소 중의 하나이며, 특히 초얽힘 광자쌍은 양자정보의 효율적인 전송을 가능하게 한다. 본 연구에서 제시한 좁은 선폭의 초얽힘 광자쌍 구현기술은 양자메모리, 원거리 양자통신, 광자기반 양자컴퓨팅 등의 분야에 응용이 가능할 것으로 기대된다.

Lee, Gil-Ho PNAS 116, 6575-6579 (2019)

[이길호 교수 연구실]조정 가능한 디락 전자 광학에 기반한 그래핀 트랜지스터 개발

[그림: (a) 그래핀 양자스위치의 작동원리를 나타낸 개략도. (b) 아래쪽 게이트 전극의 원자힘현미경 사진. 흰색 점선은 그래핀 채널의 위치를 표시함.] 포스텍 이길호 교수 연구팀은 디락 전자의 상대론적 양자현상을 기반으로 작동하는 그래핀 양자스위치를 개발하였다. 포스텍 물리학과 이길호 교수 연구팀은 미국 하버드대학교 김필립 교수 연구팀 및 미네소타 대학교, 버지니아 대학교, 콜롬비아 대학교, 그리고 일본 NIMS 연구팀과의 국제 공동연구를 통해, 고품질 그래핀에서 나타나는 디락 전자광학(Dirac electronic optics)성질을 이용하여 전류의 흐름을 제어하는데 성공했다. 이 연구는 저명 학술지인 PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America) 최신호에 게재됐다. 이번 연구에서 개발한 소자제작방법 및 소자성능평가방법은 전자의 광학적 특성을 이용하는 미래의 전자광학소자 연구에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 그래핀은 탄소원자 한층으로 이루어진 가장 얇은 물질로 2004년 발견된 이래로 활발히 연구되고 있는 신소재이다. 그래핀은 탄소원자가 2차원 육방정계(벌집)구조로 결합하고 있는 물질로, 이 물질에 흐르는 전자는 마치 질량이 없는 상대론적 양자입자처럼 행동하는 특이한 성질을 가진다. 따라서 대형가속기를 이용하지 않더라도 상대론적 양자입자인 디락 전자에 대한 기초연구를 할 수 있을 뿐 아니라 이를 소자개발에 응용할 수 있다는 점이 특히 흥미롭다. 국부게이트를 통해 전하 운반체의 농도뿐만 아니라 종류까지도 자유자재로 바꿀 수 있는 그래핀의 장점을 이용하면 전기게이트로 조절 가능한 PN접합을 자유자재로 형성할 수 있다. 보통의 전자는 PN접합을 쉽게 통과하지 못하는 반면, 디락 전자는 입사각에 따라 매우 선택적인 투과율을 보여주는 특징이 있다. 이런 성질을 이용해, 첫번째 PN접합에서 모든 전자를 진행방향으로 정렬해주고 두번째 PN접합으로는 선택적 반사를 시킴으로써 전자의 흐름을 켜고 끌 수 있는 양자스위치(일종의 트랜지스터)가 제안된 바 있다 [그림(a) 참조]. 하지만 그래핀의 전자 이동도, 그래핀 가장자리에서의 전자 산란, PN접합의 정교함, 그래핀과 금속간 접합 품질 등의 한계로 디락 전자 광학을 이용한 양자스위치의 개발은 성공적이지 못했다. 연구팀은 육방정계질화붕소 박막 사이에 고품질의 그래핀을 삽입하고 국부하부게이트 구조 등을 이용하여 매우 예리한 PN접합을 형성함으로써 디락 전자 광학을 기반으로 한 그래핀 양자스위치를 최초로 실현하였다. 특히, 그래핀 가장자리에서 산란하여 소자성능을 저하시키는 전자가 근본적으로 존재하지 않도록 하는 새로운 소자구조를 제안하였다. 또한 전자광학적 기여를 정량적으로 평가할 수 있는 새로운 방식을 제공하였다. 연구를 주도한 이길호 교수는 “이번 연구 성과는 양자소자의 새로운 형태인 디락 전자광학기반 소자 연구에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

Lee, Daesu Nature Communications 10, 537 (2019)

[이대수 교수 연구실] Enhanced flexoelectricity at reduced dimensions revealed by mechanically tunable quantum tunnelling

(왼쪽) 변전효과에 의한, SrTiO3 초박막 전기분극 유도. (오른쪽) 변전효과에 의해 유도된 전기분극 크기에 따른 SrTiO3 초박막의 양자 터널링 현상 제어. 포스텍(포항공대) 이대수 교수 연구팀이 미시세계에서의 변전효과를 측정할 수 있는 방법을 제시하였고 변전효과를 통한 양자 효과 제어의 가능성을 제시하였다. 물리학과 이대수 교수 연구팀, 서울대학교 물리학과 노태원 교수 연구팀, Pennsylvania State University 연구팀, 그리고 University of Nebraska, Lincoln 연구팀과의 (국제) 공동연구를 통해, 미시세계에서 변전효과를 측정할 수 있는 방법을 발견하였다고 밝혔다. 이 연구는 저명 학술지인 Nature Commun. 10, 537 (2019)에 게재됐다. 이번 연구는 미시세계에서 변전효과를 효과적으로 연구하고 응용할 수 있는 토대를 마련한 연구로 평가된다. 변전효과 (flexoelectricity) 란 유전체 물질을 휘었을 때 즉, 변형기울기 (strain gradient)가 형성 되었을 때, 압전효과처럼 그 내부에 분극이 생기는 electromechanical coupling을 말한다. 이 효과는 압전효과와는 달리 모든 고체 물질군에서 일어날 수 있고, 크기가 줄어들수록 효과가 커진다는 점에서 앞으로 이미 산업적으로 큰 시장을 형성하고 있는 압전효과를 대체 할 수 있는 대안으로서 최근에 큰 관심을 받고 있는 효과이다. 하지만, 큰 문제점 중에 하나가 각각의 물질에서 분극과 변형 기울기 사이의 상관계수 (flexoelectric coefficient)를 측정하는 방법론에 관한 것이다. 실제로 미시세계로 물질의 크기가 줄어들었을 때 변전효과가 커진다는 것은 상관계수가 변하지 않는다는 가정하에 가능한 일이다. 이번 논문을 통해 저자들은 아주 얇은 SrTiO3 박막에 변형기울기를 가할 때 양자 터널링 전류가 변화되는 점을 발견했고, 이를 통해 미시세계에서의 상관계수 측정방법을 처음으로 고안하고 상관계수가 거시세계에서의 값보다 증폭된다는 것을 발견하였다. 이를 통해 미시세계에서의 변전효과를 측정할 수 있는 방법을 제시하였고 변전효과를 통한 양자 효과의 제어의 가능성을 제시하였다. 연구를 주도한 이대수 교수는 “본 연구는 최근 이슈가 되고 있는 변전효과가 미시세계로 가면서 그 크기가 오히려 더욱 커질 수 있다는 것을 보여주므로, 이를 통해 나노단위에서 향상된 새로운 물성/기능성을 설계할 수 있을 것으로 기대한다.” 라고 밝혔다.

Lee, Hyun-Woo Phys. Rev. Lett. 121, 086602 (2018)

[이현우 교수 연구실]Intrinsic Spin and Orbital Hall Effects from Orbital Texture

(왼쪽) 페르미 표면에 정렬된 오비탈에 전기장이 가해지면 각각의 양자상태가 오비탈 각운동량을 갖게 되면서 오비탈 홀 효과가 나타난다. (오른쪽) 스핀-궤도 상관관계의 부호에 따른 스핀과 오비탈 홀 효과의 관계. 포스텍(포항공대) 이현우 교수 연구팀이 스핀 및 오비탈 홀 효과의 메커니즘으로 오비탈 자유도의 결정적인 역할을 규명했다. 물리학과 이현우 교수 연구팀의 고동욱 연구원, 조대근 학생, 그리고 서울대학교의 김창영 교수와의 공동연구를 통해 스핀 및 오비탈 홀 효과의 메커니즘으로 오비탈 자유도의 결정적인 역할을 규명했다고 밝혔다. 이 연구는 물리분야 대표적인 저명 학술지인 피지컬 리뷰 레터 최신호에 게재됐다. 이번 연구는 고체 내 오비탈 자유도의 동역학 및 전도현상의 새로운 가능성을 개척했다는 평가를 받고 있다. 스핀 홀 효과는 물질에 전기장을 가했을 때 수직한 방향으로 스핀 전류가 생성되는 현상을 말한다. 스핀 홀 효과를 이용하면 강자성체 없이도 스핀 전류를 전기적으로 생성할 수 있기 때문에 스핀 홀 효과는 스핀트로닉스 연구에서 매우 중요한 위상을 차지하고 있다. 스핀 홀 효과의 메커니즘으로는 스핀-궤도 결합이 중요할 것으로 여겨져왔지만 스핀과 함께 오비탈 자유도가 어떤 역할을 하는지에 대해서는 지금까지 명확히 알려진 바가 없었다. 뿐만 아니라 지금까지 많은 연구자들은 오비탈 급랭 (orbital quenching) 이라는 현상 때문에 고채 내 오비탈 자유도는 동역학 및 전도현상에서 중요하지 않을 것이라고 여겨왔다. 그러나 본 연구에서는 오비탈 자유도를 고려하면 스핀-궤도 결합 없이도 오비탈 홀 효과가 나타남을 규명하였고, 스핀-궤도 결합으로 인해 스핀 홀 효과가 오비탈 홀 효과를 따라 나타남을 확인하였다. 이번 연구를 통해 스핀 및 오비탈 홀 효과의 메커니즘을 이해함으로써 위 효과들을 극대화하는 방법도 알게 되었다. 이는 향후 스핀트로닉스 소자 개발에 매우 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 뿐만 아니라 스핀 뿐만 아니라 오비탈 자유도 역시 전도현상에 결정적으로 관여한다는 것을 알게 되었다. 연구를 주도한 이현우 교수는 “이번 연구 성과는 오비탈 자유도의 동역학 및 전도현상의 새로운 가능성을 열었다”고 밝혔다.