물리학과

2026년 07월 15일

[오윤석, 이석형, 진호섭 교수] UNIST, 2026 기초연구실지원사업(BRL) 5개 과제 선정

생명과학·물리·신소재 분야서 고른 성과… 3년간 75억원 확보 암 악성화·조직면역·유전자조절·척수 재건·양자스핀 공동 연구 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. Related Topic Basic Research Lab BRL cns physics 공동연구 기초과학 기초연구실지원사업 물리학과 양자소재 양자스핀 연구과제수주 오윤석 융합연구 이석형 자연과학대학 진호섭

2026년 06월 12일

[박노정 교수]나선형 나노선이 전자를 일정량씩 옮기는 ‘양자 펌프’ 된다!

UNIST·펜실베이니아주립대, 1차원 나선형 물질의 위상 전하 펌핑 작동 원리 이론 규명 펌핑 과정서 궤도각운동량·스핀 분극 발생.. Nano Letters 논문 게재 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. Related Topic 궤도각운동량 나선형물질 데이비드사울리스 물리학과 사울리스위상펌프 손대칭성 스크류 스핀-궤도결합 스핀분극현상 스핀선택적전자이동현상 아르키메데스 아르키메데스펌프 위상물릭

2026년 06월 04일

[정건욱 교수]2차원 반도체 LED, 옮겨 붙이지 않고 한 번에 만든다!

UNIST 정건욱 교수팀, 무전사 이황화몰리브덴 LED 소자 제조 기술 개발... 2D 기반 광원 대량 생산 기반 마련 ... Nano Letters 부표지 논문 선정 국내 연구진이 원자 몇 층 두께의 2차원 반도체를 기판 위에서 바로 자라게 해 빛을 내는 LED 소자를 제조하는 데 성공했다. 얇은 2차원 재료를 떼어내 기판에 옮겨 붙이는 과정이 필요 없어지면서, 차세대 광소자 및 양자광원으로 주목받는 2차원 LED 소자를 대량으로 제작할 수 있는 길이 열렸다. UNIST 반도체소재·부품대학원 정건욱 교수팀은 2차원 반도체인 이황화몰리브덴을 발광층으로 하는 LED 소자를 전사(transfer) 과정 없이 제조하는 데 성공했다고 26일 밝혔다. 이황화몰리브덴은 원자 몇 층 두께에서도 가시광 영역의 빛을 낼 수 있는 2차원 반도체로, 차세대 광소자와 양자광원 소재로 주목받는 소재다. 기존 2차원 반도체 LED 소자는 얇은 2차원 반도체 소재를 별도로 합성한 뒤 이를 떼어내 기판에 옮기는 전사 과정을 거쳐 만들어져왔다. 이 과정에서 2차원 반도체 조각의 크기와 모양이 일정하지 않고 오염이나 기판과 2차원 반도체 사이의 빈틈이 발생하기 쉬워 여러 소자를 균일하게 대량으로 제작하기 힘들었다. 연구팀은 이황화몰리브덴을 기판에서 직접 성장시켜 소자를 만들 수 있도록 소자 구성 물질과 공정 순서를 설계해 고품질의 LED 소자를 제조할 수 있었다. LED 소자는 보통 p형 반도체와 n형 반도체 사이에 발광층 반도체가 들어가는 구조다. 연구팀은 p형 질화갈륨(GaN) 위에 이황화몰리브덴 발광층을 직접 성장시키고, 그 위에 n형 산화아연(ZnO) 나노막대를 수직으로 자라게 한 소자 구조를 설계했다. 세 물질은 모두 육각형 결정 구조를 갖고 있어 질화갈륨 위에서 이황화몰리브덴 박막을 직접 성장시킬 수 있고, 이황화몰리브덴 위에 산화아연이 층을 이루며 형성될 수 있다.또 열에 민감한 이황화몰리브덴이 손상되지 않도록 고온 공정이 필요한 질화갈륨을 가장 먼저 증착시켰다. 이 소자는 2차원 반도체 LED에 필요한 구조적·광학적 조건을 모두 갖춘 것으로 나타났다. 세 물질은 결정 방향이 맞는 단결정 적층 구조를 이뤄 균일한 소자 제작에 유리하다. 또 전류를 흘렸을 때는 이황화몰리브덴 발광층에서 붉은빛이 나타났는데, 630 nm와 705 nm의 두 발광 신호가 명확히 확인됐다. 이는 이 소자가 일반적인 LED를 넘어 스핀-궤도 결합이라는 양자 현상을 활용하는 양자광원 소자로도 활용될 수 있는 잠재력을 보여주는 결과다. 정건욱 교수는 “2차원 반도체 LED가 연구실 단위 시연에 머물렀던 이유 중 하나는 얇은 박막을 옮겨 붙이는 공정의 불균일성”이라며 “이번 연구는 발광층을 기판 위에서 직접 자라게 해 2차원 반도체 LED도 기존 반도체 공정처럼 균일한 적층 구조로 만들 수 있음을 보인 사례”라고 설명했다. 이어 “소자 효율을 더 높여 질화갈륨 기반 LED 공정과 결합한다면 붉은색 화소나 양자광원 소자로 발전시킬 수 있을 것”이라고 덧붙였다. 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단, 산업통상부 한국산업기술진흥원의 지원을 받아 이뤄졌으며, 국제학술지 나노레터스(Nano Letters)의 부표지(Supplementary Cover)논문으로 선정돼 4월 21일 온라인 공개됐다. Related Topic 2차원LED소자 2차원반도체 반도체소재부품대학원 에픽택시 엑시톤발광신호 이황화몰리브덴 직접밴드갭발광

2026년 05월 22일

[박형렬 교수]구부리면 더 강해진다! … 굽힘으로 빛 신호 증폭하는 초박막 광소자 개발

UNIST·아주대, 굽히면 신호 3배 강해지는 이차원 반도체 물질 기반 소자 개발... 190회 반복 굽힘 후에도 95% 이상 신호 유지 ... Science Advances게재 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. Related Topic 광변환 나노갭 물리학과 박막물질 유연광변환소자 이황화몰리브덴 제2차고조파

2026년 05월 21일

2026년 봄 UNIST 물리학과 OPEN-LAB 성료

UNIST 물리학과는 5월 15일(금), 2026년 봄 OPEN-LAB 행사를 개최하였습니다. 올해로 3회를 맞이한 이번 행사에는 UNIST 재학생 40명을 비롯해, 교외 학생 48명이 전국 각지에서 참석하였습니다. 이번 OPEN-LAB에서는 학생들이 물리학과 연구실을 직접 탐방하고, 2027학년도 대학원 입시와 여름방학 인턴십 프로그램, 향후 진로에 대해 알아보는 뜻깊은 시간을 가졌습니다. 귀한 시간을 내어 참석해주신 모든 학생 여러분께 진심으로 감사드리며, 이번 행사가 UNIST 물리학과와 연구 분야에 대해 더 깊이 이해하는 유익한 계기가 되었기를 바랍니다.

2026년 05월 21일

[박노정 교수]전류 흘렸더니 전자 ‘회전’ 성질 깨어났다

UNIST, 전류가 스핀·궤도각운동량 유도하는 과정 실시간 양자 계산으로 규명... 키랄 유도 스핀 선택성 이해·전기 신호 기반 스핀 소자 설계 토대… ACS Nano 게재 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. Related Topic 궤도각운동량 물리학과 스핀 실시간계산 실시간시간의존밀도범함수이론 양자제일원리 키랄유도스핀선택형

2026년 05월 04일

2026년 봄 물리학과 오픈랩: 학과 소개, 대학원 입시, 인턴십 설명회 안내

<오시는 길> 울산(통도사) KTX역 하차 후 513번 버스(태화강 방면) - UNIST 하차 <행사일정> 13:00 - 13:15 환영회 13:15 - 14:00 UNIST 물리학과 및 랩투어 소개 14:00 - 16:40 실험실 탐방 16:40 - 17:30 입시 및 인턴십 설명회 17:30 - 20:00 저녁식사와 담소의 시간

2026년 04월 02일

[남궁선교수, 김제형 교수]전기로 켜고 끄는 고순도 단일양자광원 개발.. “양자 원천 기술”

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). Tags:단일양자광원물리학과스타크효과양자암호통신양자컴퓨팅이차원반도체물질전압

2026년 03월 27일

UNIST 적분 토너먼트 ‘Integration Bee’ 첫 판 맞붙었다

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. Tags:GrandIntegratorIntegrationBeeMITPhysics물리학과박정준수학적문제해결적분경진대회학생주도행사학술문화

2026년 03월 21일

[이석형 교수]잡음에도 끄떡없는‘오류 내성 양자 촉매’의 조건 규명

이석형 교수와 난양공대 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 증명했다. ㅣ 디자인: 김나리 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) Tags:물리학과양자정보과학양자촉매오류내성자원방송촉매채널

2025년 12월 20일

[지강선 연구원, 박형렬 교수, ACS Nano 게재] 낮은 전기장으로 양자 터널링 구현…TiO₂ 나노갭으로 차세대 테라헤르츠 소자 성능 높였다

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

2025년 12월 08일

[남궁선 교수, 박노정 교수, ACS Nano 게제] ‘손잡이성’ 물질 속 전자 스핀 움직임 직접 포착…스핀 선택 현상 작동 원리 밝혔다

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

2025년 09월 24일

[김제형 교수, Advanced Photonics 게재] ‘원자 속 결함’으로 미세 신호 잡는다…양자센서, 의료·반도체·산업 현장으로 영역 확대

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

2025년 07월 15일

[김범섭 박사,박노정 교수, Physical Review Letters 게재]Relativistic Spin-Lattice Interaction Compatible with Discrete Translation Symmetry in Solids

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

2025년 07월 09일

[김규영 석박통합과정, 김제형 교수, Nature Communications 게재]Cavity-mediated collective emission from steady-state subradiance

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

2025년 06월 26일

[Xiao Jiang 석박통합과정, 박노정 교수] Nonlinear Photocurrent as a Hallmark of Altermagnet

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

2025년 06월 26일

[Xiao Jiang 석박통합과정, 박노정 교수, ACS NANO 게재] 빛으로 ‘알터자석’ 구별한다…비선형 광전류로 새로운 자성 상태 판별 가능성 제시

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

2025년 06월 20일

[김계현 석박통합과정, 손창희 교수, Physical Review Letters 게재]Tunneling Magnetoresistance in Altermagnetic RuO₂-Based Magnetic Tunnel Junctions

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

2025년 05월 17일

[이형택 박사과정, 박형렬 교수,NANOPHOTONICS 게재]Enhanced terahertz magneto-plasmonic effect enabled by epsilon-near-zero iron slot antennas

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

2025년 05월 01일

[김진균 박사, 임선우 석박통합과정, 정한나 석박통합과정, 김채운 교수, NATURE COMMUNICATIONS 게재] Fast product release requires active-site water dynamics in carbonic anhydrase

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