물리학과

UNIST 5개 연구팀이 2026년도 기초연구실지원사업(BRL)에 선정됐다. 암세포 대사와 면역 항상성, 유전자 발현 조절, 척수 재건, 양자스핀 등 기초과학의 핵심 난제를 다루는 연구들이 나란히 이름을 올렸다. 과제의 핵심은 ‘공동연구’다. BRL은 개별 연구자가 단독으로 풀기 어려운 기초과학 문제를 소규모 연구그룹이 함께 해결하도록 지원하는 과학기술정보통신부 사업이다. UNIST는 이번 선정으로 과제당 3년간 15억원씩, 총 75억원 규모의 연구비를 확보했다. 선정 과제는 생명현상의 작동 원리를 밝히는 연구부터 손상 조직 재건, 양자소재의 동적 특성 규명까지 폭넓게 걸쳐 있다. 암 대사·조직면역·유전체 조절 3건, 척수 재건 바이오프린팅 1건, 양자스핀 1건이다. 생명과학, 물리학, 신소재공학, 바이오메디컬공학, 화학, 의학 연구진이 각 난제를 중심으로 팀을 꾸렸다. 생명과학 분야의 약진도 눈에 띈다. 5개 과제 가운데 3개가 생명과학과에서 나왔다. 한 대학 생명과학 단일 학과에서 BRL 신규과제 3개가 동시에 선정된 것은 이례적인 성과다. 강병헌 생명과학과 교수팀은 ‘종양미세환경에서 미토콘드리아 재프로그래밍에 의한 종양 악성화 조절 기전 연구’를 수행한다. 미토콘드리아는 세포의 에너지 생산 기관으로 알려져 있지만, 암세포가 산소 부족과 영양 결핍, 면역 공격 같은 스트레스 속에서 살아남는 과정에도 깊이 관여한다. 연구진은 종양미세환경에서 미토콘드리아 기능이 어떻게 바뀌고, 그 변화가 암의 악성화와 치료 저항성으로 이어지는지 밝힐 계획이다. 생명과학과 강세병·채영찬·황성민 교수가 공동연구원으로 참여해 암 대사, 세포 신호, 종양생물학 분야 전문성을 집약한다. 박성호 교수팀은 ‘조직상주 대식세포 항상성 제어 연구센터’를 이끈다. 조직상주 대식세포는 외부 병원체를 막는 동시에 손상된 조직의 회복을 조율하는 면역세포다. 이 균형이 깨지면 감염 이후 회복이 늦어지고, 만성 염증과 노화성 기능 저하가 나타날 수 있다. 연구팀은 조직별 대식세포가 어떻게 유지되는지, 감염이나 노화 상황에서 어떤 경로로 기능을 잃는지 규명한다. 생명과학과 이상준·김정석 교수가 함께한다. 이자일 교수팀은 ‘크로마틴 위상구조 기반 유전자 발현 동역학 기초연구’를 맡았다. DNA는 세포핵 안에서 단순히 길게 펼쳐진 정보가 아니라, 접히고 휘어지며 특정 유전자를 켜고 끄는 입체 구조를 이룬다. 연구진은 멀리 떨어진 조절 부위와 표적 유전자가 어떤 조건에서 만나고, 그 접촉이 실제 발현 변화로 이어지는 과정을 추적한다. 바이오메디컬공학과 김하진 교수, 화학과 민두영 교수, 경희대 백인화 교수가 공동연구원으로 참여해 유전체 구조 분석과 이미징, 화학 기반 조절 기술을 접목한다. 차채녕 신소재공학과 교수팀은 ‘척수 재건을 위한 in-situ 프로그래머블 바이오프린팅 연구실’을 구성한다. 척수 손상은 운동, 감각, 자율신경 기능 장애로 이어질 수 있지만 현재 치료는 수술, 약물, 재활을 통한 기능 보존과 증상 완화에 머무는 경우가 많다. 이 연구는 손상 부위의 형태와 생물학적 환경에 맞춰 생체재료와 세포 신호를 정밀하게 배치하는 현장형 바이오프린팅 기술을 개발하는 것이 목표다. 바이오메디컬공학과 김정범·주진명 교수, 울산대병원 신경외과 윤선근 교수가 합류해 재료공학, 조직공학, 임상 의학을 잇는다. 유정우 교수팀은 물리학과 교수진과 함께 ‘양자소재에서 나타나는 스핀 구조와 동역학’을 연구한다. 연구팀은 시간과 공간에 따라 변화하는 스핀 상관관계를 규명해 차세대 양자소자와 스핀트로닉스 연구의 기초를 마련하는 것을 목표로 한다. 기존 연구가 공간적으로 분리된 계의 상관관계와 시간에 따른 변화를 따로 다뤄온 한계를 넘어, 시공간을 하나의 틀에서 해석하고 실험적으로 검증하려는 시도다. 물리학과 진호섭·오윤석·이석형 교수가 공동연구원으로 참여해 양자물질과 자성, 스핀 동역학 분야의 기초연구를 추진한다. UNIST 다섯 과제 모두 여러 전공의 연구자가 하나의 문제의식 아래 방법론을 나누는 집단연구다. 기초과학 난제를 협업으로 풀어내겠다는 BRL 사업 취지와 UNIST 융합 연구 체계가 맞물린 성과다. 김관명 연구처장은 “이번 BRL 과제 선정은 UNIST가 축적해 온 기초과학 연구력과 공동연구 체계가 함께 인정받은 결과”라며 “장기적 관점의 기초연구와 학문 간 협업을 강화해 미래 바이오, 양자, 첨단소재 등 원천기술 기반을 넓혀가겠다”고 밝혔다.

스크류처럼 꼬인 나선형 나노선이 전자를 정해진 양만큼 한 방향으로 옮기는 양자 펌프처럼 작동할 수 있다는 사실이 이론적으로 밝혀졌다. UNIST 물리학과 박노정 교수팀은 미국 펜실베이니아주립대학교 빙하이 얀 (Binghai Yan) 교수 연구팀과 함께, 아르키메데스 펌프처럼 생긴 1차원 나선형 물질이 위상 전하 펌프처럼 작동할 수 있으며, 이 전하 이동 과정에서 궤도각운동량과 스핀 분극이 함께 나타난다는 사실을 이론적으로 규명했다고 4일 밝혔다. 아르키메데스 펌프는 그리스 수학자 아르키메데스가 고안한 것으로 알려진 장치로, 통 안에 스크류가 들어 있다. 이 스크류를 천천히 돌리면 아래쪽 물이 나선 사이에 갇혀 위쪽으로 조금씩 올라가기 때문에, 회전 운동만으로 물을 낮은 곳에서 높은 곳으로 끌어올릴 수 있는 고전적인 펌프이다. 연구팀은 스크류처럼 생긴 1차원 나선형 물질이 양자역학 세계에서도 비슷한 역할을 할 수 있음을 밝혀냈다. 전하를 한 방향으로 옮기고, 한 번의 회전 주기마다 이동하는 전하량이 정해진 값으로 고정되는 ‘위상 전하 펌프’로 작동할 수 있다는 것이다. 위상 전하 펌프는 외부 조건을 한 주기씩 천천히 바꿀 때 전하가 일정한 방향으로 이동하는 양자 현상이다. 위상물질 연구로 2016년 노벨 물리학상을 받은 데이비드 사울리스의 이름을 따 ‘사울리스 양자 펌프’라고도 불린다. 일반적인 전류처럼 도체물질에 전압을 걸어 전자를 흘려보내는 방식이 아니라, 부도체 상태에 전자의 양자 상태를 한 바퀴 순환시키면서 전하를 옮기는 것이다. 기존에도 양자역학적 위상 펌프는 알려져 있었으나 두 가지 조절 인자를 정교하게 조절해야 하는 방식이었다. 하지만 이번 연구에서 밝혀진 바에 따르면 아르키메데스 형 나선형 물질에서는 전기장의 방향을 한 바퀴 돌리는 하나의 조건만으로도 전하 펌핑이 가능하다. 연구팀은 나선형 탄화수소 모델과 삼방정계 셀레늄 나노선을 대상으로 시간에 따라 변하는 전자 상태를 분석해 이 같은 사실을 밝혀냈다. 또 전하 펌핑은 궤도각운동량과 스핀 분극 현상으로도 이어지는 것으로 나타났다. 전자가 나선형 구조를 따라 펌핑되는 동안 궤도각운동량이 함께 생겼고, 셀레늄 나노선에서는 이 중 일부가 스핀-궤도 결합을 통해 스핀 분극으로 바뀌었다. 전자의 ‘공전 방향’에 해당하는 궤도 성질이 먼저 정렬되고, 이 효과가 전자의 ‘자전 방향’인 스핀 성질로 일부 이어진 것이다. 박노정 교수는 "이번 연구는 손대칭성 나노선에서 위상학적 전하 펌핑, 궤도 각운동량, 스핀 분극화가 하나의 통합된 메커니즘으로 연결됨을 처음으로 보인 것"이라며, "향후 나노 소자에서 전자, 궤도, 스핀 특성을 위상학적으로 제어하는 새로운 방법론의 토대가 될 것"이라고 밝혔다. 이번 연구는 에스마일 타기자데 시사크트(Esmaeil Taghizadeh Sisakht) 박사가 제1저자로 참여했으며, 과학기술정보통신부 한국연구재단 기초연구사업 및 산업통상자원부 KIAT 인력양성사업의 지원으로 수행됐다. 연구 결과는 국제학술지 나노레터스(Nano Letters)에 5월 13일 자로 출판됐다.

구부러지면 더 신호가 강해지는 초박막 광 변환 소자가 개발됐다. 휘어지면 성능이 떨어진다는 전자·광소자의 상식을 뒤집는 결과다. 초소형 웨어러블 센서와 유연 광학기기 개발이 빨라질 전망이다. UNIST 물리학과 박형렬·남궁선 교수팀은 아주대 물리학과 안영환 교수팀과 함께 굽힘으로 광학 신호 세기를 조절할 수 있는 유연 광 변환 소자를 개발했다고 17일 밝혔다. 개발된 광소자는 입사된 빛의 파장을 절반으로 줄여 방출할 수 있는 광 변환 소자다. 광 변환 기술은 흔히 보이는 레이저나 정밀 광학 장비 등에 이미 쓰이는 기술이지만, 빛을 두꺼운 매질에 통과시켜 조절하는 방식이라 기기 크기를 작게 만들기 어렵다. 이황화몰리브덴과 같은 얇은 2차원 반도체를 이용한 광 변환 소자 개발이 주목받는 이유다. 하지만 이황화몰리브덴은 워낙 두께가 얇다 보니, 구부러지거나 잡아당기면 이미 약한 신호가 더 약해진다. 연구팀은 광 소자 구조에 가는 틈을 만들어 소자의 내구성을 높이고, 구부렸을 때 오히려 변환 신호가 더 강해지도록 했다. 이 소자는 유연 기판 위에 금속 박막, 이황화몰리브덴이 순차적으로 쌓여 있는 형태로, 이황화몰리브덴은 금속 박막 사이에 만들어진 20나노미터 간격의 틈 위에 올려져 있다. 이 미세 틈이 빛을 한곳에 모아주는 역할을 한다. 안쪽으로 구부리면 틈이 더 좁아지면서 빛의 전기장이 강하게 집중되고, 이황화몰리브덴에서 나오는 광신호가 더 커지는 원리다. 틈 자체는 민감한 소재인 이황화몰리브덴을 보호해 소자 내구성도 개선한다. 소자 전체를 구부렸을 때 가해지는 힘을 분산시켜 주기 때문이다. 실험에서 이 소자는 800나노미터 빛을 400나노미터의 제2고조파 신호로 변환했으며, 안쪽으로 구부려 약 1.2%의 압축 변형을 가하자 변형 전보다 신호가 약 3배 증가했다. 틈이 벌어졌을 때는 신호가 약해졌다. 제1저자인 서박염 (Sobhagyam Sharma) 연구원은 “빛이 실제로 모이는 나노 틈 영역을 기준으로 환산한 증강 효과는 평평한 금 박막 위 이황화몰리브덴 대비 약 8,000배 이상”이라고 설명했다. 또 반복 굽힘 실험에서도 190회 이상 사용했을 때 95% 이상의 신호를 유지했으며, 분광분석 결과 나노 틈이 없는 소자와 비교해 이황화몰리브덴 반도체 소재 손상이 적었다. 박형렬 교수는 “유연 광소자나 굽힘 상태에 따라 신호가 강해지거나 약해지는 변형을 신호로 읽어내는 센서 개발에 응용될 수 있다”고 설명했다. 박 교수는 이어 “변형에 따른 빛의 변화를 정밀하게 관측할 수 있어, 다양한 초박막 물질에서 나타나는 변형(strain) 기반 물성 변화를 연구하는 연구 도구로도 활용될 수 있을 것”이라고 덧붙였다. 이번 연구는 국제학술지 사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 5월 8일(현지 시간) 온라인 게재됐으며, 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF), 정보통신기획평가원(IITP), 울산과학기술원(UNIST) 등의 지원을 받아 이뤄졌다.

전류를 흘리는 것만으로 나선형 물질 속 전자의 ‘회전’ 성질을 끌어낼 수 있다는 이론 연구 결과가 나왔다. 전자의 이동이 궤도각운동량과 스핀으로 이어지는 과정을 실시간 양자 계산으로 추적한 결과다. UNIST 물리학과 박노정 교수팀은 미국 미주리대, 펜실베이니아주립대, 독일 막스플랑크 연구소와 함께 나선형 1차원 전도체에 전류가 흐를 때 스핀과 궤도각운동량이 나타나는 현상을 양자 제일원리 계산으로 규명했다고 밝혔다. 전자에는 자전 성격의 ‘스핀’과 공전 성격의 ‘궤도각운동량’이 있다. 평소에는 서로 반대로 도는 전자들이 짝을 이뤄 회전하는 힘이 겉으로 드러나지 않는다. 하지만 나선형 물질에 전류를 흘리면 특정 방향의 스핀을 가진 전자가 우세하게 나타나는 스핀 분극인 ‘키랄 유도 스핀 선택성(CISS)’이 발생한다. 이 현상은 무겁고 복잡한 자기 장치 없이 스핀을 조절할 수 있다는 점에서 스핀트로닉스 소자 설계 원리로 주목받고 있지만, 전류가 나선형 구조 안에서 실제로 어떤 과정을 거쳐 스핀을 만들어내는지는 아직 명확히 밝혀지지 않았다. 연구에 따르면, 나선형 물질에서 전류가 스핀 분극을 만들어내는 현상은 전자의 직선 운동이 궤도각운동량으로 바뀌는 과정에서 비롯된다. 연구팀은 나선형 셀레늄 원자선에 전기장을 가해 전류가 흐르는 상황을 만들고, 전자의 움직임을 실시간 시간 의존 밀도범함수이론(rt-TDDFT)으로 계산해 이를 밝혀냈다. 셀레늄 나노선에 전류를 흘리면 전자가 한 방향으로 이동하면서 직선 운동량 일부가 ‘회전운동’ 성격의 궤도각운동량으로 전환되는데, 이 궤도각운동량이 스핀-궤도 결합을 통해 스핀 분극으로 이어지는 것이다. 스핀-궤도 결합은 전자의 공전 운동에 해당하는 궤도 운동과 자전 성격의 스핀이 양자역학적으로 연결되는 현상이다. 이러한 변화는 전류 크기가 임계점을 넘어야만 발생했으며, 전기장을 끊어도 전자의 회전 현상이 지속적으로 유지됐다. 이는 외부 전기장이 직접 전자의 회전 성질을 만든 것이 아니라, 나선형 구조를 따라 흐르는 전류 자체가 스핀과 궤도 운동을 끌어낸다는 점을 보여주는 계산 결과다. 박노정 교수는 “이번 연구는 나선형 물질에서 특정 스핀을 가진 전자가 더 잘 이동하는 현상인 키랄 유도 스핀 선택성을 이해하고, 별도의 자석 없이 전기 신호로만 작동하는 스핀트로닉스·오비트로닉스 소자를 설계하는 데 기초가 될 것”이라고 말했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 기초연구사업 및 산업통상자원부 KIAT 인력양성사업의 지원으로 수행되었으며, 국제학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’에 4일 23일 게재됐다.

전압을 가해 켜고 끌 수 있는 단일양자광원이 새롭게 개발됐다. 광원을 켜고 끄기 위해 전압을 가하면 광자의 에너지가 변하는 부작용이 해결돼, 단일양자광원을 이용한 칩 기반 양자컴퓨팅과 양자암호통신 기술 개발을 기대할 수 있게 됐다. UNIST 물리학과 남궁선·김제형 교수팀은 스타크 효과(Stark Effect)를 억제한 2차원 반도체 물질 기반 고순도 단일양자광원을 개발했다고 23일 밝혔다. 일반적인 형광등에서 1초에 약 10¹⁸개 이상의 빛 입자(광자)가 쏟아져 나오는 것과 달리, 단일양자광원은 아주 짧은 순간(나노초)에 단 하나의 광자만을 방출하는 광원이다. 이 단일 광자를 비트(bit)와 같은 정보의 최소 단위로 활용해 양자컴퓨팅이나 양자암호통신에 쓸 수 있다. [연구그림] 2차원 반도체 물질 기반 단일양자광원을 전압으로 스위칭하는 모식도 스타크 효과는 광원을 켜고 끄기 위해 전압을 가했을 때 방출되는 광자의 에너지가 변하는 현상이다. 양자컴퓨팅이나 양자암호통신에서는 여러 광자가 서로 간섭하면서 정보를 처리하는데, 광자 에너지가 달라지면 서로 다른 광자로 구별돼 간섭과 같은 양자현상이 제대로 일어나지 않는다. 특히 여러 광원이 집적돼 전압이 불안정한 칩 환경에서는 스타크 효과가 더 문제가 된다. 연구팀은 단일양자광원 내부에 미세한 공기층을 만드는 방식으로 스타크 효과를 억제한 단일양자광원을 개발했다. 개발된 광원은 뾰족한 실리콘 나노 피라미드 위에 2차원 반도체 물질인 텅스텐 디셀레나이드(WSe₂)가 올려진 구조로, 실리콘과 반도체 사이에 공기층이 형성되어있다. 이 공기층이 2차원 반도체에 전달되는 전기장을 주변부의 약 20분의 1 수준으로 줄여줘 광자의 에너지 변화를 막는다. 또 순도도 개선됐다. 단일양자광원을 실제로 만들면 한 번에 하나의 광자가 아니라 여러 광자가 동시에 방출될 가능성이 있는데, 이번 연구에서는 이 확률값이0.06 수준으로 나타났다. 확률값이 0.5 이하이면 단일양자광원으로 간주되며 값이 0에 가까울수록 하나의 광자만 방출되는 순도가 높은 상태를 의미한다. 연구팀은 실리콘 나노 피라미드와 2차원 반도체 사이에 삽입한 고품질 절연층이 주변 결함에서 발생하는 배경 발광을 줄인 덕분이라고 설명했다. 이번 연구에는 사티아브라트 베헤라(Satyabrat Behera) 연구원과 문종성 연구원이 제1저자로 참여했다. 공동 연구팀은 “전기 신호로 단일광자를 제어하면서도 광자의 에너지를 안정적으로 유지하고, 순도까지 함께 개선한 구조를 제시한 것에 의미가 있다”며 “실리콘 반도체 공정과 호환돼 향후 칩 기반 양자 통신, 광자 양자 컴퓨팅, 양자 광학 센서 개발에 직접 활용될 수 있을 것”이라고 말했다. 연구결과는 나노 레터스(Nano Letters)에 3월 11일 온라인 게재됐다. 연구수행은 정보통신기획평가원(IITP) ITRC 사업, 한국연구재단, UNIST 미래선도형 특성화사업 등의 지원을 통해 이뤄졌다. (끝).

물리학과는 26일 104동 E206호에서 수학적 문제 해결 능력을 겨루는 ‘Integration Bee 2026’을 처음 개최했다. 학생들의 자발적 참여로 치러진 이번 행사는 UNIST 안에 새로운 학술 문화가 뿌리내릴 가능성을 보여줬다. ‘Integration Bee’는 1981년 MIT에서 시작된 실시간 적분 문제 토너먼트다. 물리학과 공학의 핵심 도구인 적분 풀이 역량을 겨루는 대표적 수학 경진으로 꼽힌다. 최근 국내 여러 대학으로 유사한 형식의 대회가 확산되며 관심이 높아지고 있다. UNIST도 올해 대회를 열며 학내 적분 경진대회의 첫 장을 열었다. 이를 일회성 행사에 그치지 않고 해마다 이어지는 학내 대표 학술 프로그램으로 발전시킨다는 계획이다. 우승자에게 주어지는 ‘Grand Integrator’ 타이틀 역시 학생들이 도전하는 상징으로 활용될 것으로 기대된다. 이번 경진에는 총 19명이 예선에 참가했고, 이 가운데 8명이 본선에 올랐다. 결선 당일에는 학부생과 대학원생 43명, 교직원 6명이 현장을 찾았다. 다양한 전공의 참가자들이 한자리에 모여 문제를 풀고 서로를 응원하며 학문적 경쟁과 교류가 함께 이뤄졌다. 'UNIST Integration Bee 2026' 결승 진출 학생들이 적분 문제 풀이 실력을 겨루고 있다. 제한된 시간 안에 복잡한 적분 문제를 풀어야 하는 방식인 만큼 빠른 판단력과 정확성이 동시에 요구됐다. 우승과 함께 ‘Grand Integrator’ 상을 거머쥔 박정준 학생(기계공학과)은 “고등학생 때부터 Integration Bee 문제를 접하며 관심을 가져왔는데, 직접 참가하게 돼 뜻깊었다”며 “여러 학과 학생들이 짧은 시간에 문제를 해결하는 모습이 인상적이었다”고 소감을 전했다. 2위를 차지한 조현민 학생(기계공학과)은 “다른 참가자들의 수준 높은 풀이를 통해 많은 자극을 받았다”며 “첫 행사임에도 완성도가 높았고, 준비해준 모든 분께 감사하다”고 말했다. 공동 3위에 오른 방세훈 학생(물리학과)은 “많은 학생과 교수님들이 함께해 처음에는 긴장했지만, 점차 경기에 집중할 수 있었다”며 “이번 경험이 수학에 대한 열정을 다시 끌어올리는 계기가 됐다”고 했다. 공동 3위 이예지 학생(새내기학부)도 “다른 참가자들과 함께 문제를 풀 수 있어 의미 있었고, 내년에도 다시 도전하고 싶다”고 덧붙였다. 허민섭 물리학과장은 “첫 개최였지만 높은 참여 속에 마무리된 이번 행사는 UNIST 안에 학문적 도전 문화 확산의 계기가 됐다”며 “앞으로도 학생들의 성장을 지원하는 프로그램을 지속적으로 확대해 나가겠다”고 밝혔다.

양자 촉매는 얽힘이나 결맞음 같은 제한된 양자 자원을 효율적으로 쓸 수 있게 하는 특수한 양자 자원이다. 이 양자 촉매의 효과를 잡음이 있는 실제 환경에서도 유지할 수 있는 조건을 국제 공동연구진이 제시했다. UNIST 물리학과 이석형 교수와 싱가포르 난양공과대학교 연구팀은 기존에 제시됐던 대부분의 양자 촉매 방식은 미세한 잡음에도 촉매가 점차 훼손돼 반복 사용이 어렵고, ‘촉매 채널’ 방식만이 실제 환경에서도 안정적인 촉매 효과를 유지할 수 있다는 것을 수학적으로 증명했다고 4일 밝혔다. 양자 촉매는 원래는 불가능한 양자 상태 변환을 가능하게 해주는 양자 자원이다. 화학 공정의 촉매처럼 자신은 소모되지 않으면서, 기존 양자 자원을 재사용하는 방식으로 효율성을 높여줄 것으로 여겨져 양자 ‘촉매’라고 불린다. 연구에 따르면, 기존 연구에서 이론적으로 가정된 양자 촉매는 연산에 쓰일 입력 상태를 준비할 때 발생하는 아주 작은 오차(잡음)만으로도 점차 망가진다. 촉매의 가장 큰 특징인 재사용성이 훼손되는 것이다. 문제를 피할 수 있는 해법으로 연구팀은 ‘촉매 채널(Catalytic Channel)’을 제시했다. 촉매 채널은 입력 상태가 무엇이든 관계없이, 항상 촉매가 정확히 원래 상태로 복원되도록 설계된 양자 연산 방식이다. 기존의 양자 촉매는 입력 상태가 완벽하게 준비된다는 이상적인 가정을 전제로 설계돼, 미세한 잡음에는 취약했다. 연구팀은 동시에 촉매 채널의 한계도 분명히 했다. 얽힘, 결맞음 등 대표적인 양자 자원의 경우에는 이 ‘촉매 채널’ 연산 방식을 적용하더라도 새로운 이득을 얻는 것이 원천적으로 불가능하다는 ‘불가능성 정리’를 내놨다. 반면, 특정한 열역학적 조건에서는 잡음이 있어도 촉매 채널의 효과를 안정적으로 유지할 수 있음을 보였다. 이석형 교수는 “이번 성과는 실험적으로 검증하기 어려운 이상적인 가정이 아니라, 잡음이 존재하는 현실적인 조건에서 양자 촉매가 어디까지 유지될 수 있는지를 밝힌 연구”라며, “양자 컴퓨터의 연산 효율을 높이기 위한 회로 최적화나 양자 열기관 설계에서, 잡음에 강한 구조를 어떻게 설계해야 하는지에 대한 가이드라인을 제시했다는 데 의미가 있다”고 설명했다. 양자 열기관은 자동차 엔진이나 에어컨 같은 고전적인 열기관을 원자나 분자 단위의 미시 단위로 축소한 장치다. 이번 연구는 이 교수와 싱가포르 난양공대(NTU)의 넬리 응(Nelly H. Y. Ng) 교수가 교신저자, 난양공대 손정락 박사가 제1저자로 참여했다. 프랑스 엑스-마르세유 대학교, 일본 나고야 대학교 연구진도 함께했다. 한국연구재단과 정보통신기획평가원(IITP) 등의 지원을 받아 이뤄졌으며, 연구 결과는 물리학 분야 권위 학술지인 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’에 지난달 6일 출판됐다. (끝)

손대칭성 물질을 통과한 전자의 스핀이 한쪽 방향으로 정렬되는 현상은 차세대 스핀트로닉스 기술의 토대가 되지만, 이 현상의 구체적 과정은 미궁이었다. 국제 공동 연구진이 전자의 스핀 분포를 실공간에서 관찰하는 실험을 통해 이 문제에 해답을 제시했다. UNIST 물리학과 남궁선·박노정 교수팀은 미국 펜실베이니아주립대 빙하이옌 교수팀과 함께 손대칭성 물질이 전자의 스핀 방향 자체를 바꾼다는 사실을 입증했다고 7일 밝혔다. 손대칭성 물질이 특정 방향의 스핀을 걸러내는 수동적인 역할을 한다는 가설이 주를 이뤘는데, 이를 뒤집는 연구 결과다. 손대칭성(키랄성)은 왼손과 오른손처럼 얼핏 보면 모양이 같게 생겼지만, 절대로 포개질 수 없는 구조를 말한다. 우리 몸의 DNA나 용수철도 꼬인 방향에 따른 손대칭성이 있다. 이런 나선형 손대칭성 물질에 전류를 흘리면 특정 방향의 스핀을 가진 전자만 통과하는 현상이 나타나는데, 이는 차세대 스핀트로닉스 소자를 만들 수 있는 원리이다. [연구그림] 손대칭성 물질에 전류를 흘렸을 때 꼬인 방향에 따라 스핀 전류가 흐르게 되는 원리 모식도 하지만 이 현상이 어떻게 나타나는지를 두고는 학계 해석이 엇갈려 왔다. 손대칭성 물질이 원하지 않는 스핀은 튕겨내고 맞는 스핀만 통과시킨다는 ‘스핀 필터’ 가설과 전자의 스핀 방향을 물질의 구조에 맞춰 변화시킨다는 ‘스핀 편극자’ 가설이 맞서 온 것이다. 연구팀은 원자들이 나선형으로 꼬여있는 무기물인 텔루륨 나노선을 이용해 이를 실험적으로 규명했다. 텔루륨 나노선에 그래핀 전극을 연결해 전류를 흘린 뒤, 이를 특수 현미경으로 관찰한 실험이다. 관측 결과, 나노선과 전극에서 나타난 스핀의 방향(부호)이 서로 같다는 사실이 확인됐는데, 이는 기존에 유력했던 ‘스핀 필터’ 가설과는 배치되며 ‘스핀 편극자’가설에 더 힘을 실어주는 결과다. 손대칭성 물질이 필터 역할을 한다면, 걸러진 스핀과 통과한 스핀의 부호가 서로 다르게 나타나야 하기 때문이다. 또 연구팀은 이 같은 현상을 이론계산으로도 확인했다. 박노정 교수팀은 손대칭성 물질을 통과하는 전자가 손대칭성 물질을 따라 돌아가며 궤도 각운동량을 가지게 되고, 이 궤도 각운동량에 따라 스핀 방향이 결정되는 과정을 밀도범함수이론 계산을 통해 밝혀냈다. 남궁선 교수는 “오랫동안 논쟁 대상이 되었던 손대칭성 물질 내 스핀의 거동을 명확히 시각화하여 증명해낸 연구”라며 “향후 손대칭성 물질을 기반으로 한 스핀트로닉스 소자와 양자 소자 설계에 단서가 될 것”이라고 밝혔다. 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 기초연구실 사업 및 중견연구 사업의 지원으로 수행됐으며, 국제학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’에 지난달 23일 출판됐다.

6G 통신 등에 필수적인 초고속 작동 능력을 갖춘 양자 소자가 새롭게 개발됐다. UNIST 물리학과 박형렬 교수팀은 아주대 물리학과 이상운 교수팀과 함께 기존 양자 소자가 강한 전기장을 견디지 못하고 녹아버리던 문제를 해결한 새로운 테라헤르츠 양자 소자를 개발했다고 30일 밝혔다. 테라헤르츠 양자 소자는 기존 반도체의 느린 작동 속도로는 감당하기 어려웠던 6G 통신 등 초고속 신호 처리를 가능하게 할 차세대 소자로 꼽힌다. 1초에 수조(10¹²) 번 이나 진동하는 테라헤르츠파로 유도한 전자의 터널링을 이용하기 때문이다. 터널링은 전자가 에너지벽을 뚫고 지나가는 양자적 현상이다. 문제는 터널링을 일으키기 위해서 3V/nm(볼트/나노미터)라는 매우 강한 테라헤르츠파 전기장을 가해줘야 한다는 점이다. 강한 전기장은 발열을 유발해, 소자의 금속 전극이 녹거나 구조가 손상되는 한계로 이어졌다. [연구그림] 테라헤르츠 전기장에 의해 유도되는 양자 터널링 현상 연구팀은 기존의 1/4 수준의 약한 전기장에도 터널링이 잘 일어나는 테라헤르츠 양자 소자를 개발했다. 테라헤르츠 양자 소자는 금속 전극 사이에 절연체가 끼어있는 형태인데, 이 절연체를 기존의 산화알루미늄(Al₂O₃)에서 이산화티타늄(TiO₂)으로 바꾼 것이다. 이산화티타늄을 쓰면 에너지장벽의 높이가 낮아지는 원리를 이용한 기술이다. 제1저자인 지강선 연구원은 “강한 전기장으로 전자를 밀어내는 방식이 아닌, 전자가 더 쉽게 이동할 수 있는 길을 열어주는 접근법”이라며 “터널링은 확률적 현상이라 에너지 장벽 높이가 낮아지면, 확률이 급격하게 증가하게 된다”라고 설명했다. 연구팀은 최적화된 원자층증착 공정을 이용해 이 같은 구조의 고품질 소자를 제작해냈다. 원래 이산화티타늄 박막을 금속 전극 위에 입히게 되면, 원자 크기의 미세 구멍(산소 공극)이 만들어지는 불량이 잘 발생한다. 이상운 아주대학교 교수는 “반도체 로직·메모리 소자 양산 공정에서 쓰이는 최신 원자층증착 기술을 적용해 차세대 양자 소자의 산소 공극 결함을 잡아낼 수 있었다”고 말했다. 원자층층착은 원료 기체를 번갈아가며 주입해 기판에 원자 한층 씩 박막 쌓아나가는 기술이다. 개발된 소자는 약 0.75 V/nm의 전기장에서도 안정적인 터널링 구동을 보였다. 또 이산화티타늄의 뛰어난 열 배출 성능 덕분에 테라헤르츠파 투과율을 최대 60%까지 조절하는 조건에서도 1,000회 이상 성능 저하 없이 안정적으로 작동했다. 박형렬 UNIST 교수는 "테라헤르츠 양자 소자의 상용화를 가로막던 가장 큰 걸림돌인 고전압 구동과 열 파괴 문제를 근본적으로 해결했다"며 "6G 시대를 넘어선 미래 광통신 소자, 고감도 양자 센싱 분야의 원천 기술이 될 것"이라고 강조했다. 이번 연구는 나노과학 분야의 세계적 권위지인 ACS Nano에 12월 20일(현지시간) 온라인 게재됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF), 정보통신기획평가원(IITP) 등의 지원을 받아 이뤄졌다.

양자역학과 상대성이론은 현대 물리학의 두 축이지만, ‘공간’과 ‘시간’을 다루는 방식에서는 100여 년 넘게 어색한 불일치를 안고 있었다. 상대성이론이 처음부터 공간과 시간을 하나의 ‘시공간’으로 묶어 기술하는 반면, 기존 양자이론은 공간에 대해서는 양자상태(밀도행렬)로, 시간에 따른 변화는 양자채널(시간에 따른 진화)로 서로 다른 언어를 써 왔기 때문이다. 이러한 가운데 시공간 전역에 걸친 양자 상관관계를 통합적으로 다룰 수 있는 연구 결과가 나와 눈길을 끈다. UNIST는 물리학과 이석형 조교수 연구팀이 시간축 전체를 하나의 ‘양자상태’로 다루는 새로운 이론적 틀을 정립해 국제학술지 피지컬 리뷰 레터스에 게재했다고 밝혔다. 연구팀이 제안한 핵심 개념은 ‘시간 위의 다자 양자상태(multipartite quantum states over time)’다. 직관적으로 말해 여러 시점에 걸쳐 일어나는 양자 과정을 모두 하나의 거대한 양자상태로 묶어 표현하는 방식으로, 이를 통해 공간적으로 떨어진 계뿐 아니라 시간적으로 떨어진 계도 동일한 수학 구조 안에서 다룰 수 있게 된다. 연구진은 “초기 상태에 대해 선형(linear)일 것”과 “고전 확률론에서의 조건부 확률에 해당하는 양자적 조건화 가능성(quantum conditionability)을 만족할 것”이라는 두 가지 단순한 물리 가정을 출발점으로 삼아, 이 가정들을 모두 만족하는 시간 양자상태의 수학적 구조가 유일하게 결정됨을 증명했다. 이 결과를 통해, 그동안 서로 다른 형식으로 다뤄졌던 공간 상의 양자상태와 시간 상의 양자과정(채널)을 하나의 통합된 언어로 기술할 수 있는 기반이 마련됐다. 연구진은 특히, 새롭게 정립한 시간 양자상태가 ‘커크우드–디랙(Kirkwood–Dirac) 준확률 분포’와 표준적인 방식으로 일대일 대응을 이룬다는 사실을 밝혀냈다. 이를 바탕으로, 최근 주목받는 ‘퀀텀 스냅샷(quantum snapshotting)’과 같은 실험 기법을 이용해 시간에 따른 양자 상관관계를 실제 실험실에서 정밀하게 재구성할 수 있는 가능성도 제시했다. 이처럼 이론–수학–실험 가능성을 모두 아우르는 이번 성과는 양자이론 내부의 언어만으로 시공간을 일관되게 다루는 첫 정교한 틀이라는 점에서 큰 응용 가능성을 열었다. 이번 연구는 이석형 조교수가 제1저자로서, 중국 하이난대학교 수리통계학과의 제임스 풀우드(James Fullwood) 교수가 교신저자로 참여했다. 두 연구진의 협력으로 완성된 이 이론은 향후 양자정보과학과 양자계측, 나아가 양자중력과 같은 궁극적 통일이론 연구에도 새로운 도구를 제공할 것으로 기대된다. 연구 수행은 정보통신기획평가원 등의 지원을 받아 이뤄졌다. 연구가 게재된 피지컬 리뷰 레터스는 물리학 분야의 최고 권위 저널 중 하나다. 네이처인덱스 분석에 따르면 1997년부터 2017년까지 노벨상 수상 성과의 1/4 이상에 이 저널에 실린 논문을 토대로 하고 있다. UNIST 물리학과는 올 한해만 6편의 연구 성과를 이 저널에 게재하는 성과 거뒀으며, 중앙일보 대학평가에서 자연과학 수학·물리 부문 최수우 대학에도 선정됐다.