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새로운 준입자 애니온 현상 발견
우리 대학 물리학과 심흥선 교수 연구팀(응집상 양자 결맞음 선도연구센터)이 특이 준입자 애니온 (anyon)의 새로운 현상을 발견했다.
이는 새로운 입자인 가환 애니온 (Abelian anyon)의 기본 성질인 braiding 특성을 입증한 것으로, 가환 애니온의 존재 규명에 기여한 성과이다. 이는 물리학의 난제로 남아있는 비가환 애니온 (non-Abelian anyon, Majorana fermion) 발견을 위한 후속 연구에 활용될 것으로 기대된다.
우리 대학 물리학과 이준영 박사과정 학생이 1저자로 참여하고, 이스라엘 와이즈만 연구소와 공동으로 수행한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처(Nature)’ 5월 11일 자에 게재됐다. (논문명 : Partitioning of diluted anyons reveals their braiding statistics)
여기에 추가로, 심흥선 교수 연구팀은 관련 연구를 기본 입자인 전자 (electron)의 경우에도 수행해, 국제 학술지 ‘네이처 나노테크놀러지(Nature Nanotechnology)’에 논문 2편을 연이어 게재하였다. (5월 11일 온라인 게재) 이 연구에는 물리학과 박완기 박사과정 학생이 주저자로 참여하였다. (논문명 : Time-resolved Coulomb collision of single electrons, 논문명 : Coulomb-mediated antibunching of an electron pair surfing on sound)
애니온이 특이한 입자로 불리는 이유는 알려진 기본 입자들의 성질을 따르지 않기 때문이다. 자연계의 모든 기본 입자들은 보존 (boson)이나 페르미온 (fermion)으로 분류되는데, 애니온은 그 분류를 따르지 않는다. 가령, 이차원 계에서 전자 (electron)가 다른 전자 주위를 아주 천천히 한바퀴 돌게 되면, 돌기 전 상태와 후 상태가 정확하게 같게 된다. 모든 보존과 페르미온이 이러한 특성을 보인다. 하지만, 애니온 경우에는 돌기 전 상태와 후 상태가 달라지며 (아래 그림 a), 어떻게 달라지냐에 따라 가환 애니온, 비가환 애니온으로 분류된다. 이러한 특성은 braiding이라고 불리운다. 특정 애니온의 braiding을 이용하면 국소적 에러에 둔감한 위상 양자컴퓨터 (topological quantum computing)를 구현할 수 있다는 기대 방향도 있다.
애니온 발견에 있어 핵심은 braiding 현상을 입증하는 것이다. 세계 최선도 그룹들이 braiding을 관측하기 위해 지난 30 여년 동안 경주해왔다. 심흥선 교수 연구팀은 애니온이 포텐셜 장벽에서 산란(scattering)될 때, 기존 현상과는 완전히 다른 현상이 발현되는 것을 예측하고 [Phys. Rev. Lett. (2019)], 이를 관측하는 방법을 제시한 바 있다 [Nat. Comm (2022)]. 이 현상에서는 포텐셜 장벽에 애니온이 입사될 때, 포텐셜 장벽에서 발생한 애니온 진공 요동 (anyonic virtual vacuum fluctuation)과 입사된 애니온 사이에 braiding이 일어난다 (아래 그림 c). 제시한 방법을 기반으로 심흥선 교수 연구팀은 이스라엘 와이즈만 연구소 Moty Heiblum 교수 실험팀과 협력하여, 예측한 braiding 현상을 입증하고 교신저자 논문을 발표하였다 [Nature (2023)]. 관측된 현상은 가환 애니온 존재에 대한 증거로 학계에 받아들여지고 있다.
심흥선 교수는 “비가환 애니온의 발견은 학계의 숙원으로, 이번 연구에서 확립한 가환 애니온 관측 방법은 비가환 애니온의 존재 입증에 활용될 것으로 기대된다”라며, “이러한 노력은 새로운 특이 입자의 존재를 입증하는 일련의 주요 여정으로 받아들여질 것이다”라고 말했다.
이 연구는 한국연구재단의 기초과학 SRC 선도연구센터 지원사업의 지원을 통해 수행됐다.
2023.06.01 조회수 5622 -
물리학과 심흥선 교수, 7월 '이달의 과학기술인 상' 수상
과학기술정보통신부와 한국연구재단은 30일 '이달의 과학기술인상' 7월 수상자로 우리 대학 물리학과 심흥선 교수를 선정했다고 밝혔다.
심 교수는 금속과 반도체 내 불순물의 자성을 가리는 스핀 구름 존재를 세계 최초로 입증, 미래 정보 통신과 안보 기술의 토대인 양자 기술 발전의 실마리를 제공하고 국내 양자물리의 학문적 위상을 높였다는 평가를 받았다.
도체나 반도체 내 불순물이 스핀을 가질 때, 이 스핀이 주위 자유전자들에 의해 생성된 스핀 구름에 가려지는 콘도 효과(Kondo effect)는 1930년대 처음 알려졌으나 50년간의 많은 이론적 규명과 실험적 입증 시도에도 스핀 구름이 관측되지 않아 그 존재에 대한 논쟁이 계속됐다.
심 교수는 2013년 전기장을 콘도 스핀 구름 내부에 가한 경우와 외부에 가한 경우 각각 서로 다른 전류가 발생함을 예측하고, 이를 이용해 콘도 스핀 구름을 관측하는 방법을 제안했다.
심 교수는 2013년 전기장을 콘도 스핀 구름 내부에 가한 경우와 외부에 가한 경우 각각 서로 다른 전류가 발생함을 예측하고, 이를 이용해 콘도 스핀 구름을 관측하는 방법을 제안했다.
또 매우 낮은 온도(-273.05℃)에서 관측된 소자의 전기 신호를 분석하는 방법으로 스핀 구름의 크기와 공간 분포를 확인해 마이크로미터(㎛) 크기의 스핀 구름 존재를 최초로 증명, 지난해 3월 국제학술지 '네이처(Nature)'에 발표했다.
'이달의 과학기술인상'은 우수한 연구개발 성과로 과학 기술 발전에 공헌한 연구 개발자를 매월 1명 선정해 수여하는 상으로 과기정통부 장관상과 상금 1천만원을 준다.
2021.07.09 조회수 8216 -
제49주년 개교기념식에서 ‘2019년 올해의 KAIST인 상’ 등 총 45명 교원 시상
지난 7월 30일 열린 개교 49주년 기념식 행사에서 우리 대학은 물리학과 심흥선 교수를 '2019년 올해의 KAIST인'으로 선정해 시상했다.
'올해의 KAIST인 상'은 한 해 동안 국내·외에서 KAIST 발전을 위해 노력하고 학술 및 연구 실적이 탁월한 인물에게 수여하는 상으로 지난 2001년에 처음 제정됐다.
19번째 수상의 영예를 거머쥔 심흥선 교수는 2019년 한 해 동안 네이처(Nature)지에 물리학 난제인 콘도 스핀 구름의 존재를 세계 최초로 입증하는 연구성과를, 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)지에는 양자 기술의 핵심문제인 전자의 파동성 제어·관측을 위해 전자 파동의 피코초 진동 관측법을 발견하는 연구성과를 게재하는 등 KAIST의 위상을 크게 높였다는 평가를 받았다.
심흥선 교수는 "올해의 KAIST인 상을 수상하게 되어 영광이며, 이는 함께 연구하고 있는 학생들 덕분이며, 그들에게 고마움을 전한다. 자연에 대한 더 깊이 있는 이해를 얻기 위해 노력하겠다.”라고 소감을 밝혔다.
이 외에도 우리 대학은 교육, 학술, 연구, 국제협력 성과가 탁월하거나 KAIST의 위상에 크게 공헌한 총 32명의 교원에게 ‘개교기념 우수교원 포상 및 특별포상’을, 12명의 교원에게 '송암 미래 석학 우수연구상', '2019년 대표 연구성과 10선' 상 등을 수여했다.
주요 수상자는 다음과 같다.
학술대상을 수상한 기계공학과 김승우 교수는 현대 첨단 산업이 요구하는 초정밀 광학계측 기술의 선도적 개발을 주도했으며, 특히 첨단 광계측 기술 분야의 세계적 연구 결과를 창출하여 KAIST를 대표할 만한 탁월한 학술 연구업적을 낸 점을 높이 평가받았다.
창의강의대상을 수상한 전산학부 김주호 교수는 전산학에 인문학 지식을 결합한 CS+X 형태의 융합형 교과목을 개설해 사람을 위한 기술을 강조하는 등 학생 교육의 질적 향상에 크게 기여한 공로를 인정받았다.
우수강의대상을 수상한 경영공학부 윤여선 교수는 최근 5년간 강의평가 결과 상위 20위 내 진입 횟수가 10회에 이르는 등 탁월한 강의로 KAIST 학생 교육의 질적 향상 및 인재 양성에 기여한 점을 높이 평가받았다.
공적대상을 수상한 전기및전자공학부 김종환 교수는 세계 최초대회인 AI World Cup의 창시자로 2017년부터 매년 대회를 개최해 세계 각국의 연구자들에게 AI 기술력의 경쟁 무대를 제공하고, AI 기술을 대중화시키는 등 KAIST의 위상을 크게 제고한 것으로 평가받았다.
연구대상을 수상한 전기및전자공학부 심현철 교수는 최근 5년간 연구계약과 O/H 흡수실적, 지식재산권실적, Royalty 수입실적을 평가하는 연구상 부문에서 가장 높은 역량을 인정받았다.
사회봉사부문 우수교원 특별포상 대상을 수상한 전기및전자공학부 최성율 교수는 KAIST 소재·부품·장비 기술자문단 단장으로서 30여개 기업에 대한 자문을 통해 현장의 문제를 해결하는 등 국가의 위기극복과 미래혁신에 대한 성과를 인정받았다.
임형규 LINKGENESIS-Best Teacher Award 대상을 수상한 기계공학과 김성진 교수는 2012년부터 ‘연성 박막 초열전도체 개발’이라는 주제로 창의과제를 수행하는 등 창의적인 인재 양성에 크게 기여한 점을 높이 평가받았다.
이수영 교수학습혁신상 대상을 수상한 신소재공학과 홍승범 교수는 2017년부터 Flipped Learning 교과목의 설계 및 운영을 통해 창의적 수업방식을 실천하는 등의 탁월한 성과를 인정받았다.
2020.07.30 조회수 29336 -
50년 만에 스핀구름 존재 규명
물리학과 심흥선 교수 연구팀(응집상 양자 결맞음 선도연구센터)이 금속과 반도체 안에서 불순물의 자성을 양자역학적으로 가리는 스핀 구름의 존재를 규명하는 데 성공했다.
이는 50년 동안 입증되지 않아 논란이 있던 스핀 구름의 존재를 밝힌 것으로, 향후 차세대 양자정보 소자 개발 등에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
일본이화학연구소(RIKEN), 홍콩성시대학(City University of Hong Kong)과 공동으로 수행하고 KAIST 물리학과 심정민 박사과정 학생이 1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처(Nature)’ 3월 12일 자에 게재됐다. (논문명 : Observation of the Kondo screening cloud)
도체나 반도체 내의 잉여 전하는 주위 자유 전자들의 전하 구름에 의해 가려진다. 이와는 근본적으로 원리가 다르지만, 도체나 반도체 내 불순물이 스핀을 가질 때, 이 스핀은 주위의 자유 전자들에 의해 생성된 스핀 구름에 의해 가려진다고 알려져 있다. 콘도 효과 (Kondo effect)라고 불리는 이 현상은 충분히 낮은 온도에서 발현되는 양자역학적 현상으로 대표적 자성 현상이다.
콘도 효과의 여러 특성들은 대부분 규명됐으나 스핀 구름의 존재가 입증되지 않은 채 남아있었다. 지난 50년 동안 다양한 시도들이 꾸준히 있었으나 스핀 구름은 발견되지 않았고, 이에 따라 스핀 구름이 실제로 존재하는 것인가에 대한 논쟁이 있었다. 스핀 구름이 다양한 자성 현상에서 중요한 역할을 할 것으로 예측됐기 때문에, 스핀 구름을 발견하고 제어하는 것은 관련 학계에서 성배를 찾는 것과 같은 정도의 중요성으로 비유됐다.
심 교수 연구팀은 일본 이화학연구소와 홍콩성시대학의 연구진들과 공동 연구를 통해 콘도 스핀 구름을 최초로 발견했다. 발견한 스핀 구름의 크기는 마이크로미터(10-6 미터)에 달한다.
연구팀은 스핀 구름을 전기 신호를 이용해 관측하는 방법을 2013년에 선행연구로 제안한 바 있다. 이 선행연구에서는 전기장을 스핀 구름 내부에 가한 경우와 외부에 가한 경우에 각각 서로 다른 전류가 발생함을 예측했고, 이를 이용해 스핀 구름 공간 분포의 관측을 제안했다.
심 교수 연구팀의 제안에 따라 일본이화학연구소와 홍콩성시대학의 연구팀은 양자점을 이용해 반도체에 불순물 스핀을 인위적으로 생성하고, 생성된 불순물 주변에 서로 다른 여러 곳에 전기장을 인가할 수 있는 양자 소자를 제작하는 실험을 수행했다.
100mK(밀리켈빈)의 낮은 온도에서 관측된 소자의 전기 신호를 심 교수 연구팀에서 분석한 결과, 발견된 스핀 구름의 크기와 공간 분포는 이론 예측과 일치했고 그 크기는 수 마이크로미터(10-6 미터)로 확인됐다.
심흥선 교수는 “스핀 구름의 존재 입증은 학계의 숙원으로, 이번 연구에서 스핀 구름이 발견된 만큼 스핀 구름에 대한 후속 연구들이 활성화될 것으로 기대된다”라며, “스핀 구름을 전기적으로 제어해 미해결 자성 문제들을 이해하는 데에 활용할 수 있을 뿐 아니라, 스핀 구름의 양자 얽힘 특성을 기반으로 해 차세대 양자정보 소자를 개발할 수 있다”라고 말했다.
이 연구는 한국연구재단의 기초과학 선도연구센터 지원사업의 지원을 통해 수행됐다.
2020.03.13 조회수 14922 -
심흥선 교수, 전자 움직임 포착할 수 있는 나노셔터 개발
〈 심흥선 교수, 류성근 연구원〉
우리 대학 물리학과 심흥선 교수팀(응집상 양자 결맞음 선도연구센터)이 나노 전기소자 내에서 전자 파동함수의 피코초(1조분의 1초) 수준의 초고속 움직임을 관찰하는 방법을 개발했다.
일본전신전화주식회사(NTT) 연구소, 영국국가표준기관(NPL) 연구소와 공동으로 수행하고 우리 대학 물리학과 류성근 연구원이 1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)’ 11월 4일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : Picosecond coherent electron motion in a silicon single-electron source)
움직이는 물체를 관찰하기 위해서는 카메라를 이용해 연속적으로 촬영하면 된다. 그러나 이 방법은 셔터의 작동 속도보다 더 빠른 물체의 움직임을 포착할 수 없다는 한계가 있다.
이러한 문제점은 나노 전기소자에도 동일하게 적용된다. 10기가헤르츠(GHz) 보다 더 빠른 전기 신호를 실시간으로 관측하는 것은 현재 기술로 불가능해 서브 마이크론 길이 내에서 104-105 m/sec의 속력으로 빠르게 움직이는 전자의 움직임을 기존 기술로는 포착할 수 없다.
심 교수 연구팀은 ‘나노 셔터’를 나노 전기소자 옆에 부착해 이 문제점을 해결할 수 있다는 이론을 제시했다. 여기서 나노 셔터는 공명 상태(resonance state)를 갖는 불순물로, 나노 전기소자 내의 전자가 불순물 근처에 도달할 때 전자는 공명 상태를 통해 소자 바깥으로 나오게 돼 전류 신호로 관측된다.
전자 에너지와 공명 상태 에너지가 같을 때만 바깥으로 나올 수 있으므로 공명 상태 에너지를 시간에 따라 변화시켜 나노 셔터를 빠르게 열거나 닫을 수 있다. 나노 셔터를 여는 시간을 바꾸면서 전류를 측정하면 전자가 불순물 근처에 도달한 시점 정보를 얻게 돼 나노 전기소자 내의 전자 움직임을 포착할 수 있다.
심 교수 연구팀의 이론적 해결책에 따라 일본 NTT 연구소는 영국의 국가표준기관인 NPL과 협력을 통해 나노 셔터 구현에 성공했다. 실험 연구팀이 이용한 나노 전기소자는 양자점 전자 펌프(quantum dot single-electron pump)로, 이 소자는 단일 전자를 정해진 주기로 발사하는 역할을 하며 전류의 표준을 연구할 때 사용된다.
양자점 전자 펌프의 출구에 불순물 공명 상태를 구현해 양자점 전자 펌프 내에서 전자 파동함수가 공간적으로 진동하고 있음을 관찰했다. 진동수는 무려 250기가헤르츠로 시간으로 환산하면 수 피코초 수준의 진동이다. 10 GHz 이상의 진동수의 전자 움직임을 포착한 것은 이번 연구가 처음이다.
심흥선 교수는 “양자역학 상태를 제어해 기존 기술의 한계를 돌파할 수 있음을 보여줬다”라며, “개발한 나노 셔터는 전자의 양자역학 근본원리를 탐구하는 데에 활용될 뿐 아니라 전류 표준, 초정밀 전자기장 센서, 초고속 큐빗 제어 등 차세대 양자정보 소자에 응용될 것이다”라고 말했다.
이 연구는 한국연구재단의 기초과학 선도연구센터 지원사업의 지원을 통해 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 실리콘 기반 양자점 전자 펌프
그림2. 나노 전기소자 내에서 초고속으로 움직이는 전자 측정법
2019.11.05 조회수 9389