물리학과

논문개요 연구진은 매우 작은 나노미터 크기의 공간에서 전자가 장벽을 통과하는 양자 터널링 현상을 기존보다 훨씬 낮은 테라헤르츠(THz) 전기장에서 발생시키는 방법을 개발했다. 빛이나 테라헤르츠파를 이용한 양자 터널링은 전자를 매우 빠른 시간 규모로 제어할 수 있어 초고속 전자·광학 소자에 활용될 가능성이 크다. 하지만 기존 장치는 터널링을 일으키기 위해 강한 전기장이 필요했고, 이 과정에서 발생하는 줄열(Joule heating) 때문에 소자가 손상되거나 안정적으로 반복 작동하기 어렵다는 문제가 있었다. 연구진은 이를 해결하기 위해 두 금속 사이의 수 나노미터 간격에 이산화티타늄(TiO₂)을 넣은 금속-산화물-금속 나노갭을 제작했다. TiO₂는 기존에 많이 사용된 산화알루미늄(Al₂O₃)보다 에너지 장벽, 즉 쇼트키 장벽이 낮기 때문에 전자가 상대적으로 쉽게 장벽을 뚫고 지나갈 수 있다. 실제 실험에서는 TiO₂ 나노갭에서 약 13 kV/cm의 입사 테라헤르츠 전기장부터 Fowler–Nordheim 양자 터널링이 시작됐다. 이는 기존 Al₂O₃ 기반 구조보다 필요한 전기장이 약 4배 낮은 수준이다. 또한 입사 전기장을 높였을 때 나노갭 내부에서는 전기장이 크게 증폭됐으며, 이를 이용해 테라헤르츠파의 투과율을 최대 약 60%까지 조절할 수 있었다. 즉, 전자의 터널링 여부를 이용해 테라헤르츠 신호를 크게 변화시킬 수 있음을 보여준 것이다. 실험 결과는 이론적 계산과도 잘 일치해 이러한 변화가 양자 터널링에서 비롯된다는 점을 확인했다. 특히 이번 연구에서는 단순히 에너지 장벽의 높이뿐 아니라 소재가 열을 얼마나 잘 방출하는지도 소자의 안정성을 결정하는 중요한 요소라는 사실을 확인했다. TiO₂는 낮은 터널링 장벽과 함께 상대적으로 높은 열전도성을 가지고 있어 발생한 열을 주변 금속으로 효율적으로 전달한다. 그 결과 소자는 1000회 이상의 터널링 ON/OFF 반복 실험에서도 안정적으로 작동했다. 이번 연구는 적은 에너지로도 빠르고 안정적으로 작동하는 테라헤르츠 양자 플라즈모닉 소자를 구현할 수 있는 방법을 제시했다는 데 의미가 있다. 향후 초고속 광전자 소자뿐 아니라 고감도 테라헤르츠 검출기, 신호 변조기, 정류 소자, 에너지 수확 및 무선 전력전송 기술 등에 활용될 가능성이 있다. 원문링크 : https://doi.org/10.1021/acsnano.5c12360

국문 요약 물질에는 왼손과 오른손처럼 서로 거울상 관계지만 완전히 겹쳐지지 않는 키랄성(chirality, 손잡이성)이라는 특성이 존재한다. 일부 키랄 물질에서는 전자가 이동할 때 특정 방향의 스핀(spin)이 선택적으로 나타나는 현상이 관찰되는데, 이를 키랄성 유도 스핀 선택성(CISS, Chirality-Induced Spin Selectivity)이라고 한다. CISS는 전자의 전하뿐 아니라 스핀을 이용하는 스핀트로닉스와 양자 정보 기술에 활용될 가능성이 있어 주목받고 있지만, 실제로 스핀이 어떻게 선택되는지에 대해서는 논쟁이 계속돼 왔다. 특히 기존에는 키랄 물질이 하나의 스핀만 통과시키는 ‘스핀 필터(spin filter)’처럼 작용한다고 설명하는 경우가 많았다. 하지만 이 모델만으로는 일부 실험 결과와 물리적 문제를 충분히 설명하기 어려웠다. 이에 연구진은 스핀이 키랄 물질과 충돌·산란하는 과정에서 편극되는 ‘스핀 편극기(spin polarizer)’ 모델이 실제 현상에 더 가까운지 직접 확인하고자 했다. 연구진은 오른손형 또는 왼손형 구조를 갖는 텔루륨(Te) 나노와이어의 양쪽에 그래핀 전극을 연결한 소자를 제작했다. 그래핀은 스핀-궤도 결합이 매우 약하기 때문에 전극 자체가 스핀 상태에 미치는 영향을 최소화할 수 있다는 장점이 있다. 이후 반사 자기 원편광 이색성(RMCD)이라는 광학 측정법을 이용해 전류가 흐를 때 나노와이어와 그래핀 주변에서 나타나는 스핀 편극을 공간적으로 촬영했다. 실험 결과, 전류가 흐르면 텔루륨 나노와이어뿐 아니라 양쪽 그래핀 전극에서도 스핀 편극이 관찰됐으며, 나노와이어와 두 전극의 스핀 방향이 서로 같은 방향으로 나타났다. 또한 전류의 방향을 반대로 하면 스핀 방향도 반대로 바뀌었고, 텔루륨 나노와이어의 키랄성을 오른손형에서 왼손형으로 바꿔도 스핀 방향이 뒤집혔다. 이는 단순히 한 종류의 스핀만 통과시키는 기존 스핀 필터 설명보다는 산란 과정에서 스핀을 특정 방향으로 편극시키는 스핀 편극기 모델과 더 잘 맞는다. 특히 연구진은 스핀 편극이 텔루륨과 그래핀의 경계에서 가장 강하게 나타난 뒤 그래핀 내부로 이동하면서 점차 감소하는 모습도 관찰했다. 측정된 스핀 완화 길이(spin relaxation length)는 조건에 따라 약 6.34~7.74 μm로, 스핀 정보가 그래핀 내부에서 수 마이크로미터 거리까지 유지될 수 있음을 보여줬다. 이론 계산에서도 텔루륨의 키랄 구조와 강한 스핀-궤도 결합(SOC)이 함께 존재해야 이러한 스핀 편극이 나타나는 것으로 확인됐다. 연구진은 이번 결과가 CISS에서 전자가 어떤 방식으로 산란되고 스핀이 선택되는지를 실제 공간에서 보여준 중요한 실험적 증거이며, 향후 키랄 물질을 이용한 스핀트로닉스, 광전자 및 양자 소자 개발에 활용될 수 있다고 설명했다. 원문링크 : https://doi.org/10.1021/acsnano.5c10577

국문 요약 이 논문은 새로운 하나의 양자센서를 개발한 연구라기보다, 고체 내부의 ‘스핀 결함(spin defect)’을 이용한 양자센싱 기술의 원리와 최근 발전, 실제 활용 가능성을 종합적으로 정리한 리뷰 논문이다. 특히 다이아몬드 안에 존재하는 질소-공공 중심(NV center, Nitrogen-Vacancy center)을 대표적인 양자센서로 다룬다. 연구진은 스핀 결함 기반 양자센서가 어떻게 작동하는지부터 센서 성능을 높이는 기술, 영상화 방법, 그리고 의료·반도체·산업·국방 분야의 응용 사례까지 폭넓게 분석했다. 양자센싱은 양자 중첩, 결맞음(coherence), 얽힘(entanglement)과 같은 양자역학적 성질을 이용해 매우 작은 물리적 변화를 측정하는 기술이다. 다이아몬드의 NV 센터는 원래 탄소 원자가 있어야 할 자리에 질소 원자가 들어가고 그 옆의 탄소 자리가 비어 있는 원자 수준의 결함이다. 이 결함의 전자 스핀 상태는 빛과 마이크로파를 이용해 제어하고 읽어낼 수 있으며, 외부 환경에 따라 스핀 상태가 달라지는 성질을 이용하면 자기장, 전기장, 온도, 압력, 변형 등 다양한 물리량을 매우 정밀하게 측정할 수 있다. 특히 스핀 결함 양자센서의 중요한 장점은 상온과 일반적인 환경에서도 작동할 수 있다는 점이다. 일부 다른 양자기술은 극저온이나 진공 환경이 필요하지만, 다이아몬드 NV 센터는 비교적 안정적으로 상온에서 사용할 수 있다. 또한 센서 자체가 원자 수준으로 작기 때문에 아주 작은 영역에서 발생하는 자기장이나 전류, 온도 변화를 측정하고 영상화하는 데 유리하다. 논문은 센서의 성능을 높이기 위한 여러 방법도 소개한다. 대표적으로 광검출 자기공명(ODMR)과 Ramsey, Rabi, 동적 디커플링과 같은 다양한 양자 측정 기법을 이용해 감도와 주파수 분해능을 높일 수 있다. 또한 하나의 스핀 결함을 탐침처럼 움직이며 측정하는 주사형 양자 자기현미경과 넓은 영역을 한 번에 촬영하는 광시야 양자현미경을 이용하면 자기장이나 전류의 공간적 분포까지 영상으로 나타낼 수 있다. 더 나아가 나노구조, 마이크로렌즈, 광학 공진기 등을 결합해 스핀에서 나오는 빛을 더 효율적으로 검출하려는 연구도 진행되고 있다. 활용 가능성도 넓다. 논문에서는 스핀 결함 양자센서가 바이오·의료 진단, 반도체 소자의 전류 및 결함 검사, 산업용 자기장·전류 측정, 전력망 모니터링 등에 활용될 수 있다고 설명한다. 실제로 고전압 전력망을 대상으로 한 연구에서는 다이아몬드 센서를 제어장치와 11m 떨어뜨린 상태에서도 1000A의 전류를 약 0.4% 오차로 측정한 사례도 소개한다. 또한 GPS와 같은 위성항법 시스템을 이용하기 어려운 환경에서 자기장과 회전 등을 정밀하게 측정해 자율 항법 센서로 사용하는 방안도 연구되고 있다. 이에 따라 지하·수중 항법이나 항공우주 분야 등으로 활용 범위가 확대될 가능성이 있다. 다만 실제 산업 현장에서 기존 센서를 대체하려면 가격을 낮추고 감도를 더욱 높이며, 센서·레이저·광학계·전자장치를 하나의 작은 시스템으로 통합하는 기술이 필요하다. 연구진은 앞으로 소형·휴대형 센서, 광섬유 기반 센서 및 칩 집적형 양자센서 개발이 중요할 것으로 전망했다. 특히 스핀 결함 기반 양자센서는 기술 성숙도가 비교적 높아 대규모 양자컴퓨터보다 먼저 일상생활에서 널리 사용되는 양자기술이 될 가능성이 있다고 평가했다. 원문링크 : https://doi.org/10.1117/1.AP.7.6.064002

논문 개요 문제 인식 결정 내에서 연속적 회전 대칭성이 깨지면, 기존의 궤도 각운동량(orbital angular momentum, OAM) 연산자는 정의하기 어렵고, 수치적으로도 불안정합니다. 제안된 해법 이를 해결하기 위해, 저자들은 **Bloch 표현을 기반으로 한 전자 스핀-격자 상호작용(field)**을 도입하여, 위치 연산자 없이도(discrete translational symmetry 유지) 스핀과 직접 결합할 수 있는 새 이론 틀을 제시했습니다. 계산적 장점 이 접근법은 **정적 및 시간-의존 밀도범함수 이론(first‑principles DFT 및 rt‑TDDFT)**과 완벽히 호환되며, 기존 OAM 기반 방법보다 모델의 수치 안정성과 계산 효율성이 크게 향상됩니다. 응용 사례 연구에서는 이 스핀-격자 상호작용이 Edelstein 효과와 **스핀 홀 효과(spin Hall effect)**를 기존 공식보다 더욱 효과적으로 설명할 수 있음을 보여주었습니다. 원문링크 :https://doi.org/10.48550/arXiv.2503.00652

논문개요 이 연구는 **두 개의 양자점(quantum dots)**을 광캐비티(cavity) 안에 배치해, 자연스럽게 잘 빛을 내지 않는 준방사성(subradiant) 상태를 안정적으로 유지하면서 강하게 상관된 광자 방출을 실현한 실험 결과를 제시합니다. 연구진은 **비코히런트 펌핑(incoherent pumping)**을 지속적으로 가해, 억제된 상태의 양자점들이 두 개의 광자를 연속적으로 동시에 방출하도록 유도했습니다. 그 결과, 광자 쌍의 강한 상관관계를 보여주는 photon bunching 현상이 고전적 한계를 훨씬 뛰어넘는 수준으로 관측되었습니다. 이 메커니즘은 단일 광자 방출을 억제하고 광자 쌍 방출을 제어할 수 있다는 점에서, 양자 메모리·양자 통신·정밀 측정 기술에 응용할 수 있는 가능성을 열어줍니다. 원문링크 : https://doi.org/10.1038/s41467-025-61629-w

논문 개요 연구 배경 기존 자성체와 구분되는 새로운 형태인 **알터자성(altermagnet)**을 정확히 식별하기 위한 검출 방법이 필요합니다. 이 논문은 **비선형 광전류(nonlinear photocurrent)**가 그러한 판별을 위한 효과적인 촉매가 될 수 있음을 제안합니다. 핵심 발견 알터자성체에서는 **전하 및 스핀 광전류(charge and spin photocurrent)**가 서로 유사한 온도 의존성을 보이는 반면, 일반적인 **반강자성체(antiferromagnet)**에서는 이들이 크게 다르게 나타납니다. 모형 실험 및 계산 이론 연구와 함께 MnO 알터자성상태를 실재 소재 사례로 선택해, **1차 원리 계산(first-principles calculations)**과 4밴드 모델 분석을 수행했습니다. 이를 통해 **정상 주입 전류(normal injection current)**가 알터자성체의 자기 밴드 구조—특히 **인터밴드 베리 곡률(Berry curvature)**과 교대하는 스핀 스플리팅(alternating spin splitting)—를 정밀하게 반영함을 보여주었습니다. 의의 및 활용 가능성 이 연구는 비선형 광전류 측정이 알터자성체를 구별할 수 있는 실험적 수단이 될 수 있음을 입증했으며, 자성 전자 재료 연구 및 스핀트로닉스 응용에 새로운 탐색 도구로 활용될 수 있습니다. 원문링크 : https://doi.org/10.1021/acsnano.5c01421

국문 요약 최근 물리학에서는 기존의 강자성체(ferromagnet)나 반강자성체(antiferromagnet)와 구별되는 새로운 자성 상태인 알터자성체(altermagnet)가 주목받고 있다. 알터자성체는 전체적인 자화는 서로 상쇄되어 거의 0이지만, 결정 구조의 대칭성과 결합해 전자의 스핀에 따라 에너지 밴드가 서로 다르게 갈라지는 독특한 성질을 갖는다. 문제는 이러한 물질을 기존 반강자성체와 실험적으로 명확하게 구별할 수 있는 효과적인 방법이 필요하다는 점이다. 연구진은 이에 빛을 비췄을 때 발생하는 비선형 광전류(nonlinear photocurrent)가 알터자성을 확인하는 지표가 될 수 있는지를 이론적으로 연구했다. 비선형 광전류는 물질에 빛을 조사했을 때 단순히 빛의 세기에 비례하지 않고 보다 복잡한 방식으로 발생하는 전류를 의미한다. 이러한 전류는 물질의 결정 대칭성과 전자 밴드 구조에 매우 민감하기 때문에 내부의 미세한 전자 구조를 알아내는 도구로 활용할 수 있다. 연구진은 알터자성체와 반강자성체에서 허용되는 여러 종류의 전하 광전류와 스핀 광전류를 대칭성에 따라 분석했다. 분석 결과, 알터자성체에서는 전하 광전류와 스핀 광전류가 같은 종류의 생성 메커니즘을 가질 수 있어 온도 변화에 따라 두 광전류가 비슷한 방식으로 변할 수 있는 것으로 나타났다. 반면 일반적인 반강자성체에서는 전하 전류와 스핀 전류가 서로 다른 메커니즘에서 발생하기 때문에 온도에 대한 반응도 서로 달라진다. 따라서 온도를 변화시키면서 광전류의 특성을 측정하면 알터자성체와 반강자성체를 구별할 가능성이 있다는 것이 연구진의 설명이다. 연구진은 실제 물질의 예로 알터자성 상태의 산화망간(MnO)을 선택하고, 밀도범함수이론(DFT)을 이용한 제1원리 계산과 단순화된 4개 밴드 모델을 통해 광전류를 분석했다. 특히 원형 편광을 비출 때 발생하는 정상 주입 전류(NIC, Normal Injection Current)에 주목했다. 계산 결과, 이 전류가 흐르는 방향은 밴드의 베리 곡률(interband Berry curvature)과 밀접하게 연관되고, 전류의 크기는 알터자성체의 특징인 교대 스핀 분할(alternating spin splitting) 정도와 연관되는 것으로 나타났다. 연구진의 모델에서는 스핀 분할이 커질수록 주입 광전류의 피크 크기도 거의 선형적으로 커졌다. 이러한 관계는 변형을 가한 MnO 계산에서도 확인됐다. 즉, 단순히 “알터자성인지 아닌지”를 판별하는 데 그치지 않고, 측정된 광전류를 통해 물질 내부 전자의 자기적 밴드 구조에 관한 정보까지 얻을 가능성을 제시한 것이다. 이번 연구는 실험적으로 새로운 소자를 제작한 연구가 아니라 이론 및 제1원리 계산을 통해 새로운 측정 방법을 제안한 연구다. 연구진은 비선형 광전류가 향후 알터자성체의 자기적 상태와 밴드 구조를 확인하는 광학적 탐침으로 활용될 수 있을 것으로 전망했다. 이는 새로운 자성 물질을 탐색하고, 향후 스핀트로닉스 등 전자의 스핀을 활용하는 기술에 필요한 물질 특성을 이해하는 데 기여할 수 있다. 원문링크 : https://doi.org/10.1021/acsnano.5c01421

논문 개요 연구 목적 및 배경 알터자성체(altermagnets)는 순자기적 자기화는 없지만, 모멘텀 공간에서 스핀 분열된 이방성 밴드를 가지며, 이는 스핀트로닉 응용에 유리한 성질입니다. RuO₂는 이 분야의 대표 후보로 제시되어 왔으나, 실제 알터자성 특성에 대한 직접적인 실험 증거는 부족했습니다 핵심 실험 내용 연구진은 RuO₂/TiO₂/CoFeB 구조의 MTJ(자기 터널 접합)를 제작하여, 니엘 벡터 방향에 따라 TMR(터널링 자기저항)이 변한다는 사실을 확인했습니다. 특히 니엘 벡터를 뒤집으면 TMR 신호의 부호도 반전되는 증거를 확보했습니다 주요 결과 측정된 TMR는 10 K 에서 약 5% 수준이며, 온도가 올라가면 감소하여 50 K 이상에서는 거의 사라짐을 확인했습니다 이러한 온도 의존성과 니엘 벡터 방향에 따른 반전 현상은 RuO₂의 스핀-스플릿 이방성 밴드 구조를 직접적으로 반영하는 것으로 해석됩니다 의의와 응용 가능성 이 결과는 RuO₂가 알터자성체로서의 정체성을 갖고 있다는 직접적인 실험적 증거를 제공하며, 스핀트로닉 소자—특히 비휘발성 메모리나 고속 로직 장치—에 응용될 수 있는 잠재력을 보여줍니다. 향후 실온 동작 수준까지 TMR 향상 연구가 요구됩니다 원문링크 : https://doi.org/10.1103/nrk5-5zrj

연구 개요 (Research Overview) 본 연구는 테라헤르츠(THz) 대역에서 자기광학(MO) 효과를 극대화하기 위한 새로운 구조로, 에피실론 제로점 근처(epsilon-near-zero, ENZ)의 특성을 가지는 철(Fe) 슬롯 안테나 구조를 제안하고 실험적으로 검증하였다. 연구진은 전자빔 리소그래피와 리프트오프 공정을 통해 다양한 슬롯 폭(20 μm ~ 300 nm)을 가지는 100 nm 두께의 철 필름 슬롯 안테나를 제작하고, THz 시간영역 분광법(THz-TDS)을 통해 패러데이 회전(Faraday rotation)을 정밀 측정하였다. 그 결과, 슬롯 폭이 1 μm일 때 Faraday 회전 각도가 가장 크게 증가(약 160% 향상)하며, 이후에는 슬롯 폭이 더 작아질수록 효과가 오히려 감소하는 경향을 보였다. 이러한 현상은 슬롯 주변의 유효 유전율이 gap plasmon 효과에 의해 증가하면서 MO 효과가 저해되는 것으로 해석된다. 특히 1 μm 슬롯에서 유효 유전율의 실수부가 0에 근접하는 ENZ 조건이 실현되며, 이때 MO 효과가 극대화되는 것을 확인하였다. 이론적 수치 시뮬레이션 결과도 실험과 정성적으로 일치하였다. 이 연구는 테라헤르츠 대역에서 MO 효과를 강화하기 위한 슬롯 안테나 설계 시, 유효 유전율 및 구조적 파라미터의 정밀한 제어가 필수적임을 보여주며, 향후 THz 광 아이솔레이터, 센서, 스핀트로닉스 기반 소자 설계에 중요한 설계 기준을 제공한다. 원문링크 : https://doi.org/10.1515/nanoph-2024-0665 Keywords: terahertz metasurface; terahertz magneto-optics; epsilon-near-zero; Faraday rotation; gap plasmon effect; effective dielectric constant

연구개요 (Research Overview) 물은 효소의 구조 안정성은 물론, 촉매 반응 속도 향상에 중요한 역할을 합니다. 하지만 효소 반응과 활성 부위의 물 분자 움직임 사이의 직접적인 연관성을 관측하는 것은 실험적으로 매우 어려운 과제로 남아 있었습니다. 이 논문에서는 자외선 광분해(UV photolysis) 기법과 온도 제어 X선 결정학을 결합하여, **탄산탈수효소 II (CAII)**의 촉매 작용 전 과정을 1.2Å 해상도로 실시간 추적하는 데 성공했습니다. 이 과정을 통해 연구진은 CO₂의 기질 결합 → 생성물(중탄산염) 전환 → 생성물 방출까지의 경로를 **분자 단위 '무비'**로 재구성할 수 있었습니다. 특히 예상치 못한 **생성물 결합 구성(configuration)**을 확인했고, 이를 활성 부위 내 물 분자의 서브-나노초 수준 재배열과 연결지어 해석했습니다. 결론적으로, 이 연구는 **CAII 효소가 활성 부위 물의 구조와 빠른 동역학을 진화적으로 활용함으로써 확산-제한적 수준의 반응 속도(diffusion-limited efficiency)**를 달성하고 있음을 보여줍니다. 이를 통해 효소 촉매의 속도 결정 요인을 물 분자 수준에서 규명하고, 생화학적 효소 설계의 새로운 방향성을 제시합니다. DOI 원문 링크 (DOI Link) https://doi.org/10.1038/s41467-025-59645-x