Lee, Hu-Jong / Lee, Gil-Ho Nano Letters(2017.10)

[이후종 이길호 교수 연구실]전사(傳寫)에 의한 그래핀 초전도접합 첫 실현

결맞음성이 강한 그래핀 양자소자 활용 기대 초전도 물질 사이에 얇은 전도체를 끼워 넣으면 서로 떨어져 있는 초전도 물질 사이에도 전기저항이 없는 초전류가 흐르게 된다. 이러한 조셉슨 초전도접합구조는 전도체에 초전도체를 여러 단계로 진공증착시키는 과정을 통해서만 제조가 가능하였다. 본 연구에서는 단층 그래핀에 van der Waals 적층형 NbSe2 초전도물질을 나노 스케일에서 전사하는 간편한 방식으로 강한 결맞음 특성을 가지는 초전도접합을 구현하였다. 이후종∙이길호 교수 연구실의 김민수 박사(현 맨체스터대학 박사연구원)는 박건형, 이종윤, 박진호, 이현우, 이재형 박사와 공동으로 그래핀과 NbSe2 초전도물질을 차례로 전사하여 그래핀을 두 초전도 전극 사이에 샌드위치처럼 끼워 넣은 수직형태의 초전도접합을 실현하였다. 이렇게 제작된 초전도접합은 초전도 전극간에 그간 보고된 적이 없는 강한 연계성과 양자간섭 특성을 보여 단위 큐빗소자나 양자간섭소자 등에 폭넓게 활용될 수 있다. 이후종 교수는 “이번 연구성과는 그래핀-초전도 양자소자 개발은 물론, 그래핀을 기반으로 한 다양한 van der Waals 물질 양자접합소자 응용에 실질적인 활로를 열 것으로 기대된다”고 밝혔다. 이 연구는 한국연구재단 SRC 사업의 지원으로 수행되었으며, 나노레터스(Nano Letters) 최신호에 발표되었다.

Lee, Hu-Jong / Lee, Gil-Ho Nano Lett., 18 5961–5966 (2018)

[이후종 이길호 교수 연구실] 그래핀 나노선의 밸리대칭 전도 조건 규명

[그림: 이중층 그래핀에서 밸리특성이 보존이 되는 경우(왼쪽)와 안되는 경우(오른쪽), 유사 1차원 그래핀 병목에서의 전자 움직임 모식도 수평형 그래핀 초전도 접합의 모식도. (가운데) 두 경우 나타나는 양자화된 전도도 특성] 포스텍 물리학과 이후종 교수팀이 이길호 교수, 박사과정 이현우, 박건형, 박진호 씨, 일본 히로시마 대학 및 국립재료연구소와의 국제 공동 연구를 통해 유사 1차원 이중층 그래핀 병목에서 나타나는 밸리특성이 보존된 상태에서 나타나는 양자화된 전기전도 특성을 최초 관측하는데 성공했다. 이번 연구를 통해 밸리특성을 이용한 밸리 양자소자를 구현하는데 한발 다가서게 됐다는 평가를 받고 있다. 이 연구는 미국화학회의 대표적인 저명 학술지인 나노레터스에 게재됐다. 탄소원자로 이루어진 이중원자층 그래핀은 전자구조에서 두개의 밴드가 하나의 점에서 접촉하고 있는 특이한 구조를 가지며, 이를 디락점이라 한다. 그래핀 구조의 특성상 동일한 디락점이 두개가 쌍으로 존재하게 되는데, 전자는 어느 디락점에 있든 똑 같은 행동을 하게 된다. 이를 밸리 축퇴성이라 한다. 마치 전자에 스핀이 업과 다운상태가 있듯, 밸리특성도 업과 다운상태가 공존할 수 있는 특성을 보이고, 이 덕분에 밸리 특성을 이용한 밸리 논리 소자로 활용할 수 있는 큰 가능성이 있다. 이를 밸리트로닉스라 부르며, 스핀을 이용한 스핀트로닉스를 대체할 수 있는 흥미로운 응용분야라 할 수 있다. 이런 밸리특성은 그래핀에 원자적으로 작은 이물질이 있을 경우 쉽게 망가지는 것으로 알려졌으나, 나노기술의 한계로 아직까지 밸리특성을 보존하는 것은 매우 도전적인 과제라 할 수 있다. 밸리특성을 잘 보존할 수 있는 방법을 고안하는 것은 밸리트로닉스의 시작점이라 볼 수 있을 정도로 중요하다. 포스텍 이후종 교수 연구팀은 이중층 그래핀을 깨끗한 부도체 물질인 육방질화붕소 단결정으로 감싸는 방법과 함께, 수십 nm수준으로 짧은 전도채널을 형성할 수 있는 새로운 나노집적기술을 개발, 적용시켰다. 그 결과 밸리의존성을 유지하면서 나타나는 양자화된 전기전도도 특성을 이중층 그래핀에서 최초 관측하는데 성공하였으며 밸리특성을 감쇄시키는 원인에 대해 분석하였다. 연구를 주도한 이후종 교수는 “이번 연구 성과는 향후 이중층 그래핀의 밸리 특성을 이용한 밸리 양자 소자를 고안하는 데 유용하게 활용될 수 있다”고 밝혔다.

Lee, Hu-Jong / Lee, Gil-Ho Phys. Rev. Lett. 120, 077701 (2018)

[이후종, 이길호 교수 연구실] 단간극 수평형 그래핀 초전도 접합을 최초로 실현,Short Ballistic Josephson Coupling in Planar Graphene Junctions with Inhomogeneous Carrier Doping

(왼쪽) 수평형 그래핀 초전도 접합의 모식도 및 전자현미경 사진, (오른쪽) 전기장으로 조절되는 조셉슨 결합세기 단간극 수평형 그래핀 초전도 접합을 최초로 실현 포스텍 물리학과 이후종 교수팀이 이길호 교수, 박사과정 박진호 씨, 이재형 박사(현 삼성전자 종합기술원), 일본 히로시마 대학 및 국립재료연구소와의 국제 공동 연구를 통해 단간극 수평형 그래핀 초전도 접합을 최초로 실현하는데 성공했다. 이번 연구를 통해 강한 결맞음성이 요구되는 안정된 양자 소자 구현에 한발 다가서게 됐다는 평가를 받고 있다. 이 연구는 미국물리학회의 대표적인 저명 학술지인 피지칼리뷰레터스에 게재됐다. 초전도체는 임계온도라 불리는 일정 온도 이하에서 전기저항 없이 전류가 흐르는 물질을 이른다. 이렇게 전기저항이 없이 흐르는 전류를 초전류라 한다. 흥미롭게도 수백 nm(10억분의 1m) 정도의 길이를 갖는 짧은 도체를 사이에 두고 두 초전도체 전극을 떨어뜨려 놓아도 두 전극 사이에 초전류가 흐르게 할 수 있으며, 이런 구조를 조셉슨접합이라 부른다. 조셉슨접합에서 두 전극 사이의 간격을 짧게 할수록 초전류는 더 커진다. 어느 기준 이상의 큰 초전류를 가지는 접합을 단간극접합이라 하는데, 이는 양자컴퓨터의 기본 단위인 큐비트과 같이 강한 결맞음성이 요구되는 안정된 양자 소자 구현에 꼭 필요한 것이다. 최근 전류가 잘 흐르는 단원자층 흑연 물질인 그래핀을 매개로 한 조셉슨접합으로 단간극접합 특성을 실현하려는 많은 시도가 있었으나 성공하지 못했다. 연구팀은 육방정계붕소 박막 사이에 깨끗한 그래핀을 삽입한 수평형 그래핀 접합에서 단간극 조셉슨접합 특성을 실현하는 데 최초로 성공했다. 연구팀은 그동안 단간극접합 특성이 실현되지 못한 것이 그래핀과 초전도 전극이 접합되는 부위에서 전하이동으로 그래핀 특성이 변질되었기 때문임을 밝혔고, 이를 보정해 평면형 그래핀 접합에서 단간극 특성을 확인할 수 있었다. 연구를 주도한 이후종 교수는 “이번 연구 성과는 전류 전도 특성이 우수한 그래핀을 이용해 매우 안정된 양자 소자를 고안하는 데 유용하게 활용될 수 있다”고 밝혔다.

Lee, Hu-Jong / Lee, Gil-Ho Rep. Prog. Phys. 81, 056502 (2018)

[이길호, 이후종 교수 연구실] 초전도-그래핀 이종접합에서의 근접결합현상에 대한 리뷰, Proximity coupling in superconductor-graphene heterostructures

[그림: (왼쪽) 그래핀의 원자구조, (가운데) 그래핀의 전자구조, (오른쪽) 초전도 근접효과를 표현한 모식도, 빨간색 점선은 초전도 파동함수의 크기를 나타낸다.] 초전도-그래핀 이종접합에서의 근접결합현상에 대한 리뷰 포스텍 이길호 교수와 이후종 교수는 초전도-그래핀 이종접합에서의 근접결합현상에 대해 지 10여년간 세계적으로 영향력 있는 연구를 해온 것이 인정되어 Reports on Progress in Physics지에 초청리뷰를 게재하였다. 탄소원자 한층으로 이루어진 세상에서 가장 얇은 물질인 그래핀은 2004년도 처음 발견된 이래로 활발히 연구되고 있는 신소재이다. 그래핀은 탄소원자가 벌집구조로 결합하고 있는 물질로, 이 물질에 흐르는 전자는 마치 질량이 없는 상대론적 양자입자처럼 행동하는 특이한 특성을 가진다. 따라서 대형가속기를 이용하지 않더라도 상대론적 양자입자에 대한 기초연구를 할 수 있다는 점이 특히 흥미롭다. 한편, 100여년전 처음 발견된 초전도체는 일정 온도 이하에서 전기저항이 갑자기 없어지는 또다른 흥미로운 물질이다. 이는 거시적 스케일에서 나타나는 매우 희귀한 양자현상으로써, 특히 최근 양자정보분야의 급부상으로 큰 관심을 받고 있다. 이렇게 연관성이 없을 것 같은 그래핀과 초전도체를 서로 접합하면, 초전도가 아닌 그래핀의 일부가 초전도체의 성질을 띄게 되는 초전도 근접효과가 발생한다. 그래핀의 우수한 전기전도도, 용이한 전기적 조절성 등의 장점과 거시적 양자현상인 초전도현상의 특성이 섞이게 되면, 기존엔 전혀 볼 수 없었던 새로운 물리현상을 연구할 수 있고, 더 나아가 유용한 양자소자를 제작할 수 있다. 연구를 주도한 이길호 교수는 “이번 리뷰논문은 그래핀-초전도 양자소자분야의 지난 10여년간의 역사를 정리함으로써 관련분야에 중요한 이정표가 될 것으로 기대된다”고 밝혔다.

Kim, Yoon-Ho Phys. Rev. Lett. 119, 263603 (2017)

[김윤호 교수 연구실] 결맞음 시간에 무관한 열광원의 2차 간섭 현상, Second-order temporal interference with thermal light: Interference beyond the coherence time

결맞음 시간에 무관한 열광원의 2차 간섭 현상 Second-order temporal interference with thermal light: Interference beyond the coherence time 김윤호 교수 연구실의 인용섭 박사와 영국 Portsmouth 대학의 Vincenzo Tamma 박사는 공동연구를 통해 열광원을 이용하여 결맞음 시간에 독립적인 광학적 간섭현상을 최초로 관측하고 이 연구 결과를 Physical Review Letters 지에 게재하였다 (2017. 12. 28). 광학적 간섭 현상은 간섭계의 경로차이가 빛의 결맞음 시간보다 작을때에만 가능한 것으로 지금까지 알려져 있었다. 본 연구에서는 열광원의 2차 간섭현상을 이용해 빛의 결맞음 시간에 완전히 독립적인 새로운 간섭현상을 관측하였다. 이 실험 결과는 일반적인 물리적 직관과는 확연히 다른 결과이며 광학적 정밀측정 등의 분야에 응용이 가능할 것으로 기대된다. We report the observation of a counterintuitive phenomenon in multipath correlation interferometry with thermal light. The intensity correlation between the outputs of two unbalanced Mach-Zehnder interferometers (UMZIs) with two classically correlated beams of thermal light at the input exhibits genuine second-order interference with the visibility of 1/3. Surprisingly, the second-order interference does not degrade at all no matter how much the path length difference in each UMZI is increased beyond the coherence length of the thermal light. Moreover, the second-order interference is dependent on the difference of the UMZI phases. These results differ substantially from those of the entangled-photon Franson interferometer, which exhibits two-photon interference dependent on the sum of the UMZI phases and the interference vanishes as the path length difference in each UMZI exceeds the coherence length of the pump laser. Our work offers deeper insight into the interplay between interference and coherence in multiphoton interferometry.

Kim, Yoon-Ho [Phys. Rev. Lett. 117, 250502 (2016)]

[김윤호 교수 연구실] 냉각 원자를 통한 EPR 얽힘 구현 Einstein-Podolsky-Rosen Entanglement of Narrow-Band Photons from Cold Atoms

냉각 원자를 통한 EPR 얽힘 구현 물리학과 김윤호 교수 연구팀의 이종찬 박사는 루비듐 냉각 기체 기반에서 EPR 얽힘을 가지는 광자쌍을 구현하는데 성공했다. 이 연구는 물리학 분야에서 대표적인 저명 학술지 Physical Review Letter (2016. 12)에 게재됐다. 본 결과는 앞으로 단일 광자를 이용한 고차원 양자정보처리 연구의 기반이 될 것이다. EPR 얽힘은 두 입자의 위치와 운동량이 양자적 상호관계를 가지는 현상으로, 1935년에 아인슈타인과 포돌스키, 로젠에 의해 처음 제안되었다. EPR 얽힘은 양자역학의 근본적인 부분을 이해하는데 중요한역할을 할 뿐 아니라 양자 이미징이나 양자 측정 등에서 핵심적인 역할을 수행한다. EPR얽힘을 구현한 기존의 연구들은 비선형 크리스탈을 통해 EPR 얽힘을 구현하였지만, 이러한 방법은 광자가 넓은 선폭(~THz)을 가지게 되어 양자 이미지의 저장이나 고차원 양자정보처리에 응용하기에는 힘들었다. 그러나 냉각 원자를 이용한 이번 연구는 광자의 선폭을 MHz 수준으로 좁히는 것에 성공하여 해당 분야에 직접적으로 적용할 수 있는 가능성을 제시하였다. Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) entanglement introduced in 1935 deals with two particles that are entangled in their positions and momenta. Here, we report the first experimental demonstration of EPR position-momentum entanglement of narrow-band photon pairs generated from cold atoms. By using two-photon quantum ghost imaging and ghost interference, we demonstrate explicitly that the narrow-band photon pairs violate the separability criterion, confirming EPR entanglement. We further demonstrate continuous variable EPR steering for positions and momenta of the two photons. Our new source of EPR-entangled narrow-band photons is expected to play an essential role in spatially multiplexed quantum information processing, such as, storage of quantum correlated images, quantum interface involving hyperentangled photons, etc.

Kim, Yoon-Ho Phys. Rev. X 8. 021016 (2018)

[김윤호 교수 연구실] 단일 광자 정지상태 광 펄스 구현

(왼쪽) 단일 광자 정지상태 광 펄스 구현 (오른쪽) 비 고전적 특성을 가지는 단일 광자 정지상태 광 펄스 포스텍(포항공대) 김윤호 교수 연구팀이 양자 정지상태 광 펄스를 루비듐 원자 구름 안에 구현하는데 성공했다. 물리학과 김윤호 교수 연구팀의 박광균과 한국과학기술연구원 (KIST)의 조영욱 박사와의 공동연구를 통해 루비듐 냉각 기체 기반의 단일 광자 정지상태 광 펄스를 구현하는데 성공했다고 밝혔다. 이 연구는 물리학 분야에서 대표적인 저명 학술지 Physical Review X최신호 (2018. 4)에 게재됐다. 본 결과는 앞으로 단일 광자를 이용한 양자비선형현상의 연구에 기반이 될 것이다. 정지상태 광 펄스란 광 펄스가 원자와 상호작용하여 원자 구름 내에 군속도가 0인 상태로 갇혀있는 것을 뜻한다. 정지상태 광 펄스를 구현하는 방법은 다음과 같다. 자기 광 포획으로 루비듐 원자 구름을 만들고, 루비듐 원자 구름에 광 펄스와 루비듐 원자의 들뜬 상태와 스핀 상태에 해당하는 레이저를 원자 구름의 양방향에서 통과시키면 광 펄스의 군속도가 원자 구름 내에서 0이 된다. 기존의 실험들은 레이저에서 생성된 결맞음 광 펄스를 이용하여 정지상태 광 펄스를 구현하였다. 하지만 김윤호 교수 연구팀은 단일 광자의 양자적 특성을 가진 광 펄스를 이용하여 정지상태 광 펄스 구현에 성공하였다. 단일 광자의 양자적 특성은 양자비선형광학을 기반으로 하는 양자 통신 및 양자 광학에 매우 중요한 요소이다. 김윤호 교수 연구팀은 처음으로 냉각 원자 구름 내에 비 고전적인 정지상태 광 펄스를 구현하였다. 원자와 광자의 상호작용을 높이기 위해 일반적으로 공진기를 사용하는데, 연구팀은 공진기 없이 원자와 광자의 상호작용을 통한 정지상태 광 펄스를 실험적으로 보였다. 연구팀의 성과는 공진기 없는 양자 비선형 광학에 새로운 방향을 제시한 것이다. 연구를 주도한 김윤호 교수는 “이번 연구 성과는 공진기가 없는 상태에서 단일광자-단일광자 제어 현상을 이용한 단일광자 양자스위칭이나 단일광자 기반의 상호위상변조의 구현에 기초가 되는 결과로써, 양자광학과 양자정보 연구에서 필수적인 양자게이트 구현을 가능하게 할 것으로 예상하고 있다” 라고 밝혔다.

Kim, Yoon-Ho Nat. Commun. 9, 192 (2018).

[김윤호 교수 연구실] 약한 측정을 이용한 효율적인 양자상태측정 방법 제시

약한 값 측정을 이용한 효율적인 양자 채널 토모그래피 실험 모식도 포스텍(포항공대) 김윤호 교수 연구팀은 효율적인 양자 채널 토모그래피 방법을 제시하고 실험적으로 구현했다. 물리학과 김윤호 교수 연구팀의 김요셉 학생은 한국과학기술연구원(KIST)의 조영욱 박사 연구팀과의 공동연구를 통해 양자 채널 특성을 나타내는 행렬의 성분을 직접 측정하는 방법을 제시하여 양자 채널 토모그래피에 필요한 측정 횟수를 획기적으로 줄였다고 밝혔다. 이 연구는 저명 학술지인 Nature Communications 최신호 (2018.1)에 게재됐다. 이번 연구를 통해 양자정보기술 구현에 큰 걸림돌이었던 양자 채널 특성 확인에 필요한 측정 시간을 획기적으로 단축할 수 있게 되었다. 양자 통신, 양자 컴퓨터 등과 같은 양자정보기술을 구현하기 위해서는 양자 상태와 양자 채널을 의도한대로 정확히 구현할 수 있어야 한다. 그뿐만 아니라 양자 상태와 양자 채널이 실험적으로 잘 구현됐는지 확인하는 수단이 필요한데 이를 각각 양자 상태 토모그래피와 양자 채널 토모그래피라고 한다. 일반적으로 양자 상태가 양자 채널을 지나고 나면 양자 상태에 변화가 생긴다. 양자 채널 토모그래피는 이 점을 이용해서 이미 알고 있는 양자 상태를 양자 채널에 입력할 때 양자 상태가 어떻게 변화하는지를 관측함으로써 양자채널의 특성을 측정한다. 하지만 양자 채널의 크기가 커질수록 필요한 측정의 횟수가 기하급수적으로 증가하는 어려움이 있다. 연구팀은 양자 채널을 나타내는 행렬의 성분 중 일부만이 양자 채널 특성에 주요하게 기여한다는 것에 주목하였다. 행렬의 성분이 복소수의 값을 가지기 때문에 보편적인 양자측정으로는 측정이 불가능하지만 양자역학의 특수한 측정 방법인 약한 값 측정은 보편적인 양자측정으로는 측정이 불가능한 복소수의 물리량도 측정할 수 있다. 연구팀은 약한 값 측정을 활용하여 양자 채널 특성에 기여하는 물리량을 직접 측정할 수 있는 방법을 제시하였고 이를 실험으로 구현하여 16번의 측정이 필요한 양자 채널을 4번의 측정만으로 특성을 정량화할 수 있음을 확인하였다. 연구를 주도한 김윤호 교수는 “이번 연구 성과는 양자 채널 특성을 효율적으로 측정하는 방법론을 제시하여 양자정보기술 구현에 유용하게 활용될 수 있다” 라고 밝혔다.

Kim, Jun Sung Nature Materials 17, 794 (2018).

[김준성 교수 연구실]Large anomalous Hall current induced by topological nodal lines in a ferromagnetic van der Waals semimetal

(왼쪽) Fe3GeTe2 가 갖는 선형 위상전자 구조 모식도 (오른쪽) 기존 강자성체 대비 Fe3GeTe2 의 높은 이상홀 효과 포스텍(포항공대) 김준성 교수 연구팀이 강자성과 위상특성을 동시에 보이는 반데르발스 물질을 구현했다. 물리학과 김준성 교수 연구팀의 서준호 학생과 포스텍 막스플랑크 연구소 김규 박사와 서울대 물리학과 양범정 교수팀은 물리학과 민병일 교수, 염한웅 교수 연구팀과의 공동연구로 Fe3GeTe2 라는 철기반 강자성 반데르발스 물질에서 관측한 높은 이상홀 효과가 위상전자구조에 기인한다는 점을 최초로 밝혔다. 이 연구는 물리분야 대표적인 저명 학술지인 Nature Materials최신호 (2018. 8)에 게재됐다. 이번 연구를 통해 2차원 반데르발스 구조를 갖는 위상 자성체 연구에 새로운 전기가 마련될 것으로 기대된다. 위상물질은 그 성질을 결정하는 전자구조에 위상학적인 특이성이 있는 물질이다. 뫼비우스 띠를 아무리 변형시켜도 찢지 않으면 정상적인 띠로 만들 수 없는 것처럼, 위상물질에 나타나는 꼬여진 전자구조 역시, 물질의 화학 구조가 크게 바뀌지 않는 한 계속 보존이 된다. 이처럼 위상물질의 위상학적 안정성을 이용하면, 외부 잡음에 월등히 강하고 정보 손실 없는 새로운 양자 소자를 구현할 수 있을 것으로 여겨진다. 기존의 위상물질은 그래핀이나 위상부도체처럼 자성을 띠지 않는 물질이 대부분이었다. 이번에 발견된 위상 강자성체(topological ferromagnet)에서는 전도 전자의 스핀의 방향이 대부분 하나로 정해져 양자역학적인 자기장에 의한 효과가 강하게 나타나게 된다. 즉, 이 물질에 흐르는 전류는 외부의 자기장이 없더라도 강하게 휘어지면서 경계부분에 스핀이 정렬된 전하가 쌓이게 되고 그 양이 보통 자성체에 비해 훨씬 많게 된다. 이처럼 위상학적 특이점 근처의 베리 곡률효과로 인해 이상홀 효과가 강하게 나타나는 자성 소재를 이용하면 차세대 고감도 자성 센서나 스핀 정보소자 개발로 이어질 가능성이 있다. 이번 연구를 통해 위상특성과 자성특성간의 상관관계를 이해함으로써 향후 위상자성체 분야 연구의 새로운 방향을 제시하고 새로운 물질 디자인과 합성연구의 기반이 마련되었다고 할 수 있다. 또한 이번에 발견된 물질은 반데르발스 구조를 가지고 있어, 흑연으로부터 그래핀을 얻어내는 것처럼, 손쉽게 2차원 강자성체로 변환이 될 수 있다. 최근 전 세계적으로 활발히 연구되고 있는 2차원 반도체 물질등과도 쉽게 결합될 수 있는 장점이 있어 향후 2차원 물질에 기반을 둔 차세대 스핀소자 개발의 활성화도 기대된다. 연구를 주도한 김준성 교수는 “이번 연구 성과는 앞으로 2차원 물질의 위상 특성을 이용한 스핀트로닉스 연구에 중요한 기여를 할 것으로 기대된다” 라고 밝혔다.

Kim, ki-seok Nano Letters 18, 5432 (2018)

[김기석 교수 연구실] Emergence of a Metal-Insulator Transition and High-Temperature Charge-Density Waves in VSe2 at the Monolayer Limit

VSe_2의 전자구조 재구성에 대한 두께, 온도, 계면으로 정의된 공간에서의 상도표.각 상에는 브릴루앙 영역의 1/6에 해당하는 페르미표면 모델이 있으며 실선(점선)은 갭이 닫혀(열려) 있음을 의미한다. 포스텍(포항공대) 김기석 교수 연구팀이 3차원 물질을 2차원 물질로 만들었을 때 나타나는 새로운 상전이 현상을 이해하는 틀을 제안하였다. 물리학과 김기석 교수 연구팀의 장익수 학생과 서울시립대학교 물리학과 장영준 교수 연구팀, 그리고 울산대학교 물리학과 김정대 교수 연구 팀은 Lawrence Berkeley National Laboratory 연구팀, Center for Correlated Electron Systems (IBS)의 박제근 교수 연구팀, 그리고 National Taiwan University 연구팀과의 (국제) 공동연구를 통해 그래핀 위에 VSe_2 단원자층을 만들었을 때 나타나는 2차원 물질의 새로운 상전이 현상을 발견하고 그 원리를 규명하였다고 밝혔다. 이 연구는 물리분야 대표적인 저명 학술지인 Nano Letters 18, 5432 (2018)에 게재됐다. 이번 연구는 2차원물질에서 차원과 계면으로 인해 전자들 사이의 상호작용이 조절되어 어떻게 전자구조 재구성이 일어날 수 있는지를 밝힌 연구로 평가된다. 표면 및 계면의 변화로 야기되는 전자 구조 재구성은 고체물리학에서 중요한 이슈로, 특히 산화물 복합구조에서 집중적으로 연구되어 왔다. 최근에는 적층 구조의 반데르발스(van der Waals) 시스템에서 저차원 구조 및 이질계면(heterointerface) 에 의한 전자구조 재구성에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있는 추세 이다. 특히 전이금속칼코겐 화합물이 단원자층 두께가 되었을 때 밴드갭 구조, 초전도, 강자성, 전하 밀도파(charge density wave) 등과 같은 다양한 물성에 변화가 생겨 이는 많은 관심을 받고 있는 주제이다. 반데르발스의 약한 상호작용으로 인해 전이금속칼코겐 화합물에서 계면의 역할은 종종 무시되곤 하지만, 최근 그래핀에서 발견된 초전도 현상처럼 반데르발스 물질에서도 계면은 아주 중요한 역할을 한다. (물리학과 첨단기술 NOVEMBER 2018 새로운 연구결과 소개에서 인용) 그래핀 위에 성장된 단원자층 VSe_2의 전자 및 원자 구조에 대한 체계적인 연구를 각분해 광전자 분광법(angle-resolved photoemission spectroscopy, ARPES), 주사터널링현미경(scanning tunneling microscope, STM)을 활용하여 수행하였다. 덩어리 VSe_2 시편과 직접 비교를 통해 단원자층 VSe_2에선 페르미 면의 k_z방향에 대한 의존성이 사라져 2차원 특성을 보이며 동시에 페르미 면 겹싸기(Fermi surface nesting)가 급격히 강화됨을 확인하였다. 이 결과는 재규격화군(renormalization group) 분석을 통해 3차원 시스템에서의 불완전한 겹싸기가 2차원에서 완벽한 겹싸기로 바뀌는 것이 보편적으로 일어날 수 있음을 증명함으로써 이해될 수 있었다. 결과적으로 단원자층 VSe2의 Tcdw가 ∼350 K까지 급격히 상승됨을 ARPES 및 STM 실험을 통해 확인하였다. 더욱 흥미로운 점은 135 K에서 덩어리 시스템에서는 존재하지 않는 금속-절연체 전이가 일어나며 강한 격자뒤틀림이 동반된다는 것이다. √3×2 & √3×√7 주기를 갖는 이 격자 뒤틀림은 12×aG(그래핀 격자상수)와 구조적으로 잘 일치하여 이질계면의 중요성을 확인하였다. (물리학과 첨단기술 NOVEMBER 2018 새로운 연구결과 소개에서 인용) 연구를 주도한 장영준, 김정대, 그리고 김기석 교수는 “본 연구는 최근 이슈가 되고 있는 2차원물질에서 차원과 계면으로 인해 전자들 사이의 상호작용이 조절되어 어떻게 전자구조 재구성이 일어날 수 있는지 보여주는 좋은 예시가 될 것으로 기대된다.” 라고 밝혔다.