Lee, Hu-Jong / Lee, Gil-Ho Nano Lett. 17, 6125–6130 (2017)

[이후종, 이길호 교수 연구실]반데르발스 물질 기반의 이종접합에서 강한 조셉슨 결합 구현, Strong Proximity Josephson Coupling in Vertically Stacked NbSe2–Graphene–NbSe2 van der Waals Junctions

[그림: (왼쪽) 그래핀과 나이오븀 다이셀레나이드의 적층구조의 모식도와 단면 TEM사진, (오른쪽) 구현된 적층구조의 전자현미경 사진] 포스텍 연구팀이 그래핀 전도막에 니오비움 다이셀레나이드라는 층상구조를 지닌 초전도물질을 미세 스케일에서 옮겨 붙이는 전사방식을 이용해 강한 결맞음 특성을 가지는 초전도접합을 구현해 냈다. 이후종, 이길호 포스텍 물리학과 교수와 김민수 맨체스터대학 박사연구원 등 연구팀은 그래핀과 초전도물질을 차례로 옮겨 붙이는 비교적 간편한 방식으로 그래핀을 두 초전도 전극 사이에 샌드위치처럼 끼워 넣은 수직형태의 초전도접합을 최초로 실현했다. 초전도 물질은 온도를 극저온으로 내리면 전기저항이 사라져 열이 나지 않으면서 전류가 흐르는 초전류 특성을 보여 전기·전자 분야에서 광범위하게 응용되고 있다. 이런 초전도 물질 사이에 얇은 전도체를 끼워 넣으면 서로 떨어져 있는 초전도 물질 사이에도 전기저항이 없는 초전류가 흐르게 된다. 이러한 접합구조는 전도체에 초전도 물질을 진공에서 증발시켜 쌓는 복잡한 과정을 통해서만 제조가 가능했다. 하지만 이번 연구팀이 복잡한 과정을 거치지 않더라도 강한 결맞음 특성을 가지는 초전도접합을 구현한 것이다. 탄소원자로 이뤄진 그래핀은 원자 하나의 두께를 가진 가장 얇은 전도물질인데 이렇게 제작된 초전도접합은 초전도 전극간에 그간 보고된 적이 없는 강한 연계성과 양자간섭 특성을 보여 미래형 첨단 컴퓨터로 불리는 양자컴퓨터나 양자간섭소자 등에 폭넓게 활용될 수 있다. 연구를 주도한 이후종 교수는 “그래핀-초전도 양자소자 개발은 물론 그래핀을 기반으로 한 다양한 전사물질 접합 응용에 실질적인 활로를 열 것으로 기대된다”고 밝혔다.

Kim, Jun Sung Nat. Commun. 8, 2167 (2017)

[김준성 교수 연구실]Frustration-driven C4 symmetric order in a naturally-heterostructured superconductor Sr2VO3FeAs

[그림: (a) Sr2VO3FeAs의 철계 초전도층과 모트 절연체 층의 상호작용의 경쟁과 각 층의 전자상태 (b) C4 대칭성이 유지되는 특이 전하/오비탈 정렬 상태 ] 철계 초전도체와 모트절연체 이종접합의 특이기저상태 발견 김준성 교수 연구실의 옥종목 박사와 드레스덴 IFW 연구소의 백승호 박사는 강한 전자상호작용을 가지는 이종접합 초전도체인 Sr2VO3FeAs 물질의 특이한 전하/오비탈 정렬 상을 발견하고 특성을 규명하였다. 이 연구결과는 Nature Communications에 2017. 12. 18일자로 게재되었다. 고체내의 전자상호작용은 스핀/오비탈/전하 자유도의 자발적 대칭붕괴상태를 유도한다. 이 연구에서는 서로 다른 전자상호작용이 경쟁하는 철계 초전도체-모트절연체 이종접합에서 기존에 알려지지 않은 특이한 기저상태가 발현됨을 최초로 발견하였다. 이 연구는 향후 강상관 이종접합의 특이 상태와 물성을 이해하는데 중요한 기초를 제공할 것으로 기대된다.

Kim, Dong Eon Nat. Comm. (2017)

[김동언 교수 연구실] 200 배 큰 초고속 자기 냉각 효과 세계 최초로 관측

포스텍 김동언 교수 그룹과 충북대 김동현 교수 그룹은 펨토초(10-15초) ~ 피코초(10-12초) 시간대의 초고속 상태에서 자기냉각 효과 연구를 수행했다. 비평형 상태에서 평형상태 보다 200 배 더 큰 자기냉각 효과를 얻을 수 있다는 것을 세계 최초로 관측했다. 거대 자기열량 효과 (Giant Magnetocaloric Effect)가 발견된 이후 자기냉각 효과 (Magnetic Cooling Effect)는 미래 친환경적 냉각 기술의 대안이 된다. 초고속 자화 동역학 과정은, 전자, 격자 그리고 스핀 간의 초고속 상호작용을 이해할 수 있는 단초를 제공하며 미래의 초고속 스핀디바이스 개발 면에서 의의가 크다 자기장을 가하여 자성시스템의 엔트로피를 감소시켜 냉각시키는 자기냉각 효과의 존재는 1881년 독일과학자 Warburg 에 의해 처음 관측되었다. 이 후 P. Weiss (1917년), P. Debye (1926) 등에 의해 기본원리 등이 설명된 바 있으나, 자기장 냉각

Min, Byung Il Phys. Rev. Lett. (2016)

[민병일 교수 연구실]Electronic structure of YbB6: Is it a Topological Insulator or not?

최근 희토류 화합물인 YbB6 물질이 위상콘도절연체가 될 수 있다는 이론 및 실험적 논문들이 보고된 이후, YbB6 물질의 위상 물성에 대한 논쟁이 계속 제기되어 왔다. 포항공대 이론 연구팀은 한국, 미국,독일 등 실험 연구팀들과의 공동 연구를 통해, YbB6 물질은 위상콘도절연체나 위상절연체가 될 수 없다는 사실을 명백히 규명 하였다. 이 연구는 희토류 화합물에서 어떠한 조건이 갖추어져야 위상콘도절연체가 될 수 있는지를 제시함으로써, 향후 위상콘도절연체 물질 연구에 큰 활기를 보태어줄 것으로 전망된다.

Kang, Myung Ho Physical Review Letters 117, 116102 (2016)

[Sep 9, 2016] 강명호 교수 연구실 - Single-Layer Limit of Metallic Indium Overlayers on Si(111)

[Sep 9, 2016] 강명호 교수 연구실 - Single-Layer Limit of Metallic Indium Overlayers on Si(111) Physical Review Letters 117, 116102 (2016) http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.117.116102 전자구조이론연구실에서는 원자 한층 두께의 인듐(In) 금속막의 원자구조와 2차원 극한의 금속 물성을 규명하였다. 논문은 Physical Review Letters (저자: 박재환, 강명호) 에 게재되었다 (2016. 9. 09). In 금속막은 대표적인 2차원 금속계로서 그 원자구조 규명이 초미의 관심사였는데, 2012년 PRL 논문에서 double-layer 구조를 규명한데 이어, 이번에 단원자층 구조 까지 해결함으로써 나노과학기술의 큰 진전을 이루었다. [그림: Si 표면 위의 In 2중층과 단원자층 구조] Density-functional calculations are used to identify one-atom-thick metallic In phases grown on the Si(111) surface, which have long been sought in quest of the ultimate two-dimensional (2D) limit of metallic properties. We predict two metastable single-layer In phases, one 7‾√×3‾√ phase with a coverage of 1.4 monolayer (ML; here 1 ML refers to one In atom per top Si atom) and the other 7‾√×7‾√ phase with 1.43 ML, which indeed agree with experimental evidences. Both phases reveal quasi-1D arrangements of protruded In atoms, leading to 2D-metallic but anisotropic band structures and Fermi surfaces. This directional feature contrasts with the free-electron-like In-overlayer properties that are known to persist up to the double-layer thickness, implying that the ultimate 2D limit of In overlayers may have been achieved in previous studies of double-layer In phases.

Kim, Jun Sung / Kim, Tae-Hwan /Min, Byung Il Layer-Confined Excitonic Insulating Phase in Ultrathin Ta2NiSe5 Crystals

[Aug 15, 2016] 김준성, 김태환, 민병일 교수 연구실 - Layer-Confined Excitonic Insulating Phase in Ultrathin Ta2NiSe5 Crystals

[Aug 15, 2016] 김준성, 김태환, 민병일 교수 연구실 - Layer-Confined Excitonic Insulating Phase in Ultrathin Ta2NiSe5 Crystals ACS Nano 10 (9), pp 8888–8894 (2016). http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.6b04796 [그림: (왼쪽위) Ta2NiSe5의 결정구조 (왼쪽 아래) Ta2NiSe5의 액시톤 응축상 전후의 전자구조 모식도 (오른쪽) 액시톤 응축상태 물질인 Ta2NiSe5와 1T-TiSe2의 두께(층 수)에 따른 상전이 온도의 변화. Inset: 서로 다른 두께를 가지는 Ta2NiSe5 박막결정의 온도에 따른 저항변화] “반데르발스 물질의 엑시톤 응축상태의 특성 규명” 김준성 (제1저자 김소영), 김태환, 민병일 교수 연구실은 준이차원 물질인 Ta2NiSe5의 엑시톤 응축 상태의 특성을 규명하였다. 연구결과는 ACS Nano 에 2016. 9. 27일자로 게재되었다. 반도체에서 전자와 홀의 결합으로 형성되는 엑시톤은 반도체갭의 크기가 매우 작을 때 자발적 응축상태를 만들게 된다. 이 연구에서는 반데르발스 물질인 Ta2NiSe5에서 발현되는 엑시톤 응축상태가 2차원 층에 국소화되어 나타난다는 실험적인 증거를 기계적 박리를 통해 얻은 2차원 물질 특성변화 관측을 통해 제시하였다. 이 결과는 2차원 물질의 특이 기저상태를 이해하는데 중요한 기초를 제공할 것으로 기대된다. Atomically thin nanosheets, as recently realized using van der Waals layered materials, offer a versatile platform for studying the stability and tunability of the correlated electron phases in the reduced dimension. Here, we investigate a thickness-dependent excitonic insulating (EI) phase on a layered ternary chalcogenide Ta2NiSe5. Using Raman spectroscopy, scanning tunneling spectroscopy, and in-plane transport measurements, we found no significant changes in crystalline and electronic structures as well as disorder strength in ultrathin Ta2NiSe5 crystals with a thickness down to five layers. The transition temperature, Tc, of ultrathin Ta2NiSe5 is reduced from its bulk value by ΔTc/Tcbulk ≈ −9%, which strongly contrasts the case of 1T-TiSe2, another excitonic insulator candidate, showing an increase of Tc by ΔTc/Tcbulk ≈ +30%. This difference is attributed to the dominance of interband Coulomb interaction over electron–phonon interaction and its zero-ordering wave vector due to the direct band gap structure of Ta2NiSe5. The out-of-plane correlating length of the EI phase is estimated to have monolayer thickness, suggesting that the EI phase in Ta2NiSe5 is highly layer-confined and in the strong coupling limit.

Lee, Jong-Bong Proceedings of the National Academy Sciences USA (PNAS)

[March 7, 2016] 이종봉 교수 연구실 - Dynamic control of strand excision during human DNA mismatch repair

[March 7, 2016] 이종봉 교수 연구실 - Dynamic control of strand excision during human DNA mismatch repair Proceedings of the National Academy Sciences USA (PNAS) doi:10.1073/pnas.1523748113 생명체의 유전 정보 복제 과정 중 발생될 수 있는 오류 염기쌍은 체내의 여러 단백질과 DNA의 상호작용을 통해서 자연 복구 된다. 그러나 이런 오류가 제대로 감지되고 복구되지 못하는 경우 돌연변이를 야기하거나, 암세포가 발생되기도 한다. 2015년 노벨 화학상이 DNA 오류 복구 과정에 관한 연구에 수여될 정도로 학계에서도 매우 중요한 문제로 인식되고 있다. 이종봉 교수 연구팀은 이 일련의 복구 과정 중 기존에 규명하지 못했던 오류 염기쌍 인식 후, 오류 염기쌍을 포함한 DNA 가닥의 제거 메커니즘을 오류 염기쌍 제거에 관련된 다양한 단백질들과 DNA간의 복잡한 상호작용을 단일분자 단위로 실시간 관찰하여 밝혀내는데 성공했다. 본 연구 결과는 제 1저자인 전용문 학생과 공동저자인 김대형, 이량근, 오정식 학생의 참여로 3월 7일자 Proceedings of the National Academy Sciences USA (PNAS)에 게재되었다.(doi:10.1073/pnas.1523748113). Mismatch repair (MMR) is activated by evolutionarily conserved MutS homologs (MSH) and MutL homologs (MLH/PMS). MSH recognizes mismatched nucleotides and form extremely stable sliding clamps that may be bound by MLH/PMS to ultimately authorize strand-specific excision starting at a distant 3′- or 5′-DNA scission. The mechanical processes associated with a complete MMR reaction remain enigmatic. The purified human (Homo sapien or Hs) 5′-MMR excision reaction requires the HsMSH2–HsMSH6 heterodimer, the 5′ → 3′ exonuclease HsEXOI, and the single-stranded binding heterotrimer HsRPA. The HsMLH1–HsPMS2 heterodimer substantially influences 5′-MMR excision in cell extracts but is not required in the purified system. Using real-time single-molecule imaging, we show that HsRPA or Escherichia coli EcSSB restricts HsEXOI excision activity on nicked or gapped DNA. HsMSH2–HsMSH6 activates HsEXOI by overcoming HsRPA/EcSSB inhibition and exploits multiple dynamic sliding clamps to increase tract length. Conversely, HsMLH1–HsPMS2 regulates tract length by controlling the number of excision complexes, providing a link to 5′ MMR.

Nam Ki Lee / Seong, Ugyeong Angewandte Chemie DOI: 10.1002/anie.201502055

[June 5, 2015] 이남기, 성우경 교수 연구실 - Dynamic Release of Bending Stress in Short dsDNA by Formation of a Kink and Forks

[June 5, 2015] 이남기, 성우경 교수 연구실 - Dynamic Release of Bending Stress in Short dsDNA by Formation of a Kink and Forks Angewandte Chemie DOI: 10.1002/anie.201502055 이남기 교수와 성우경 교수 연구실은 공동 연구 결과 (김철희, 이오철 박사, 김재열 박사 주도), D-shaped DNA 나노 구조를 제작하였고, 이를 이용하여 DNA가 bending tension에 대응하는 구조적 역학을 단일 분자 수준에서 측정하였다. 그 결과 DNA가 가운데 부분에 bubble을 형성하며 단번에 꺾이는 구조와 그 동안 이론적으로 예측되었던 DNA 끝 부분이 풀리는 “fork”를 형성하는 구조의 두 가지 형태를 갖게 됨을 처음으로 규명하였다. 이 결과는 2015년 6월 5일 응용 화학 및 생물리 분야의 권위지인 Angewantde Chemie 에 온라인 발표 되었다. 특히, 본 내용은 상위 5% 내의 중요한 연구 결과로 인정 받아 VIP paper에 선정되었다. Bending with high curvature is one of the major mechanical properties of double-stranded DNA (dsDNA) that is essential for its biological functions. The emergence of a kink arising from local melting in the middle of dsDNA has been suggested as a mechanism of releasing the energy cost of bending. Herein, we report that strong bending induces two types of short dsDNA deformations, induced by two types of local melting, namely, a kink in the middle and forks at the ends, which we demonstrate using D-shaped DNA nanostructures. The two types of deformed dsDNA structures dynamically interconvert on a millisecond timescale. The transition from a fork to a kink is dominated by entropic contribution (anti-Arrhenius behavior), while the transition from a kink to a fork is dominated by enthalpic contributions. The presence of mismatches in dsDNA accelerates kink formation, and the transition from a kink to a fork is removed when the mismatch size is three base pairs.

Nam Ki Lee / Lee, Jong-Bong Angewandte Chemie - International Edition

[May 5, 2015] 이남기, 이종봉 교수 연구실 - Analysis of Interactions between the Epidermal Growth Factor Receptor and Soluble Ligands on the Basis of Single-Molecule Diffusivity in the Membrane of Living Cells

[May 5, 2015] 이남기, 이종봉 교수 연구실 - Analysis of Interactions between the Epidermal Growth Factor Receptor and Soluble Ligands on the Basis of Single-Molecule Diffusivity in the Membrane of Living Cells Angewandte Chemie - International Edition DOI: 10.1002/anie.201500871 이남기 교수 연구실은 이종봉 교수 및 생명과 류성호 교수 연구실과의 공동 연구 결과 (김도현, Kai Zhou, 김동균 주도), 단일 분자 추적을 이용하여 살아 있는 세포에서 세포막 단백질과 항체의 상호 작용을 관찰하는 것이 가능함을 보여 주었다. 이 결과는 2015년 5월 응용 화학 및 생물리 분야의 권위지인 Angewantde Chemie 지에 온라인 발표 되었다. 본 연구에서 암의 주요 원인이 되는 EGFR 단백질과 암 치료에 사용되고 있는 Cetuximab 항체약의 상호 작용을 규명하였다. 이 연구는 앞으로 살아 있는 세포에서의 세포막 단백질 상호 작용 연구에 적용될 예정이다. We present a single-molecule diffusional-mobility-shift assay (smDIMSA) for analyzing the interactions between membrane and water-soluble proteins in the crowded membrane of living cells. We found that ligand–receptor interactions decreased the diffusional mobility of ErbB receptors and β-adrenergic receptors, as determined by single-particle tracking with super-resolution microscopy. The shift in diffusional mobility was sensitive to the size of the water-soluble binders that ranged from a few tens of kilodaltons to several hundred kilodaltons. This technique was used to quantitatively analyze the dissociation constant and the cooperativity of antibody interactions with the epidermal growth factor receptor and its mutants. smDIMSA enables the quantitative investigation of previously undetected ligand–receptor interactions in the intact membrane of living cells on the basis of the diffusivity of single-molecule membrane proteins without ligand labeling.

Lee, Hyun-Woo / Park, Jae Hoon Nature Nanotechnology 10, 333 (2015)

[April 2015] 이현우, 박재훈 교수 연구실 – Spin-orbit-torque engineering via oxygen manipulation

[April 2015] 이현우, 박재훈 교수 연구실 – Spin-orbit-torque engineering via oxygen manipulation Nature Nanotechnology 10, 333 (2015) [그림: 산소량 변화에 따른 스핀-궤도 토크 특성 변화] 이현우, 박재훈 교수 연구실과 싱가폴 국립대학 양현수 교수 및 고려대학교 이경진 교수의 공동연구 결과가 Nature Nanotechnology 2015년 4월호에 게재되었다. 본 연구는 스핀-궤도 토크의 특성에 대한 연구로서 스핀-궤도 토크가 발생하는 나노구조에 산소를 주입하면 스핀-궤도 토크의 특성이 크게 바뀔 수 있다는 것을 밝힌 것이 핵심 결과이다. 스핀-궤도 토크는 나노구조의 자화 상태를 전기적으로 빠르게 제어할 수 있는 방법으로 소자 응용 가능성이 높아 많은 각광을 받고 있다. 이번 연구 결과는 스핀-궤도 토크의 세기를 키울 수 있는 새로운 가능성을 제시한 논문으로서 스핀-궤도 토크의 발생 원리 규명에 대한 기여 뿐 아니라 소자 응용 측면에서도 많은 기여를 할 것으로 기대된다. Spin transfer torques allow the electrical manipulation of magnetization at room temperature, which is desirable in spintronic devices such as spin transfer torque memories. When combined with spin–orbit coupling, they give rise to spin–orbit torques, which are a more powerful tool for controlling magnetization and can enrich device functionalities. The engineering of spin–orbit torques, based mostly on the spin Hall effect, is being intensely pursued. Here, we report that the oxidation of spin–orbit-torque devices triggers a new mechanism of spin–orbit torque, which is about two times stronger than that based on the spin Hall effect. We thus introduce a way to engineer spin–orbit torques via oxygen manipulation. Combined with electrical gating of the oxygen level, our findings may also pave the way towards reconfigurable logic devices.