보도일시	2021. 12. 9.(목) 조간(온라인 12. 9. 01:00 국제엠바고)부터 보도해 주시기 바랍니다.
배포일시	2021. 12. 8.(수) 09:00	담당부서	기초연구진흥과
담당과장	김보열(044-202-4530)	담 당 자	문영근 사무관(044-202-4534)
관련기관	서울대학교 물리천문학부 박제근 교수 (02-880-6536)

양자물질의 전기적·자기적 성질을 조절할 수 있는 차세대 광소자 기술 세계 최초 구현

- 서울대-캘리포니아공대 공동연구진 광소자 신기술 성공 네이처 게재

□ 과학기술정보통신부(장관 임혜숙, 이하 ‘과기정통부’)는 박제근 교수 연구진(서울대학교 물리천문학부)과 D. Hsieh 교수 연구진(캘리포니아 공과대학 물리학부)이 양자물질의 전기적․자기적 성질을 조절할 수 있는 차세대 광소자 기술을 세계최초로 구현했다고 밝혔다.

ㅇ 과기정통부 개인기초연구사업 중 리더연구사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 미국 D. Hsieh 교수 연구진의 국제 공동연구를 통해 국제학술지인 네이처(Nature)에 12월 9일 게재되었다.

□ 연구진은 벌집 형태의 평면구조를 지닌 절연체인 삼황화린망간(MnPS3)에 강한 빛(>109 V/m)을 가하여 이 물질의 광학적 성질이 크게 바뀌는 것을 실험으로 확인하고, 구조 계산을 통해 관측값과 이론값이 일치함을 규명하였다.

ㅇ 기존 연구에서는 강한 빛으로 인한 발열이나 손상 우려 때문에 약한 빛(~107 V/m)만을 이용하였는데, 이번 연구는 강한 빛(>109 V/m)을 이용하여 실험적으로 구현한 세계 최초의 결과이다.

□ 이번에 연구진이 구현한 기술은 물질의 전기적, 자기적, 광학적 성질을 원하는 대로 조절할 수 있는 차세대 광소자 기술인 양자 플로켓 공학(Floquet engineering) 기술을 세계 최초로 구현한 것으로, 재료과학 또는 광학 분야에서 향후 높은 활용도가 기대된다.

□ 특히, 기존 실리콘 기반의 반도체 칩을 빛을 이용한 광전자소자로 대체할 수 있으며, 이 경우 열손실을 크게 줄일 수 있어 에너지 소모 문제를 근본적으로 해결할 수 있어 우리 사회가 저탄소사회로 가는 데 중요한 핵심기술로도 주목받고 있다.

□ 박제근 교수는 “이번 연구성과는 플로켓 공학 기술을 2차원 양자물질에서 구현한 첫 사례”라며 “빠르게 성장하고 있는 플로켓 공학 분야에서 중요한 전환점이 될 것이다”라고 의미를 밝혔다.

<참고자료> : 1. 논문 정보          2. 연구이야기          3. 용어설명

4. 그림설명	5. 연구자 이력사항

	이 자료에 대하여 더욱 자세한 내용을 원하시면 과학기술정보통신부 문영근 사무관(☎ 044-202-4534) 또는 서울대학교 박제근 교수(☎ 02-880-6536)에게 연락주시기 바랍니다.

논문 정보

□ 논문명

○ Giant modulation of optical nonlinearity by Floquet engineering / Nature

□ 저자

○ Jun-Yi Shan (캘리포니아공과대학),

Mengxing Ye (캘리포니아 주립대학, UC Santa Barbara),

Hao Chu (캘리포니아공과대학),

Sungmin Lee(서울대학교),

Je-Geun Park(서울대학교),

Leon Balents(캘리포니아 주립대학, UC Santa Barbara),

David Hsieh(교신저자, 캘리포니아공과대학)

□ 내용 요약

○ 자성 반데르발스 물질로 절연체(van der Waals layered magnetic insulator)인 MnPS3를 활용하여, 광학적 비선형성(optical nonlinearity)을 크게 조절하고 결맞게 조종할 수 있음을 실험적으로 증명하였다.

○ 기존 연구에서는 약한 빛의 세기(~107 V/m)를 이용하였는데, 이번 연구는 강한 빛의 세기(>109 V/m)를 이용하여 실험적으로 구현한 세계 최초의 결과이다.

○ MnPS3의 단일 이온모형(single-ion model)을 기반으로 한 플로켓 이론 (Floquet theory) 계산을 수행한 결과, MnPS3 시료에 가하는 빛의 세기와 편광을 조절하여 얻은 2차 고조파 발생(Second Harmonic Generation) 세기의 변화량 실험값과 플로켓 밴드 구조 계산을 통해 얻은 이론값이 일치함을 규명하였다.

연구 이야기

<작성 : 서울대학교 박제근>

□ 연구 배경

자성 반데르발스 연구의 확장을 위해서 다양한 국내외 공동연구룰 진행하고 있는데, 이번 Nature에 발표되는 연구는 캘리포니아공과대학의 Hsieh 교수와의 지난 5년의 공동연구 결과로 얻게 되었다. 플로켓 공학 기술은 물질의 전기적, 자기적, 그리고 광학적 성질을 원하는 대로 조절할 수 있는 매우 유용한 기술로 기대받고 있다. 빛을 이용한 강한 주기적 구동(periodic driving)으로 초고속 시간 단위에서 양자 물성을 결맞게 조절하는 (coherently manipulate) 가능성을 보여주고 있다. 최근 광학적인 방법으로 비자명한 밴드 위상(non-trivial band topologies)이나 창발적 스핀 상호작용(emergent spin interactions), 심지어 초전도성을 유도하는 등, 전기적 또는 자기적 성질들을 바꾸는 여러 전략들이 고안되고 있는 것은 전 세계적인 추세이다.

□ 연구 내용

D. Hsieh 캘리포니아공과대학 물리학과 교수 연구진과 공동으로 자성 반데르발스 물질로 절연체(van der Waals layered magnetic insulator)인 MnPS3를 활용하여, 광학적 비선형성(optical nonlinearity)을 크게 조절하고 결맞게 조종할 수 있음을 실험적으로 증명하였다. 기존에는 약한 빛의 세기(~107 V/m)를 이용한 연구만 있었는데, 이번 연구는 강한 빛의 세기(>109 V/m)를 이용하여 실험적으로 구현한 세계 최초의 결과이다.

더 나아가, 연구진은 MnPS3의 단일 이온모형(single-ion model)을 기반으로 한 플로켓 이론(Floquet theory) 계산을 수행하였다. 그 결과, MnPS3 시료에 가하는 빛의 세기와 편광을 조절하여 얻은 2차 고조파 발생(Second Harmonic Generation) 세기의 변화량 실험값과 플로켓 밴드 구조 계산을 통해 얻은 이론값이 일치함을 규명하였다.

□ 기대 효과

이번 연구성과는 반데르발스 자성체의 강한 빛에 의한 광학적 성질 변화를 구체적인 실험으로 확인하고 이론적으로 계산해낸 것으로, 플로켓 공학 기술이 실제로 구현 가능하다는 것을 입증한 첫 사례이다. 더 나아가, 향후 다양한 절연체에 유사한 연구를 수행할 수 있으며, 물질의 다양한 물성들을 역학적으로(dynamically) 설계할 수 있는 방법을 보여주는데 그 의미가 있다.

용 어 설 명

1. 양자물질

○ 기존의 단순한 단입자 양자역학으로는 설명할 수 없는 물질

2. 플로켓 공학 기술(Floquet engineering)

○ 강한 주기적 구동(periodic driving)으로 물질 내의 양자 시스템을 조종하는 기술이다. 많은 이론적 제안과 연구가 이루어졌지만, 아직 실제 물질에서 구현된 적은 없었다.

3. 자성 반데르발스 물질(magnetic van der Waals materials)

○ 자성을 띠는 새로운 2차원 물질로 박제근 교수가 2016년 세계 최초로 개발한 물질로서 기본적으로 자성을 띠면서 각 층간 상호작용이 약한 반데르발스 인력으로 결합된 구조의 물질이다.

○ 약한 반데르발스 인력으로 붙어있기 때문에, 테이프와 같은 접착물질로 분리 하여 단분자층(monolayer)를 만들 수 있어 2차원 물성 연구에 활용되고 있다. 대표적으로 그래핀(Graphene)이 반데르발스 층간구조 물질이다.

4. 2차 고조파 발생(second harmonic generation)

○ 동일한 주파수를 가진 두 광자가 비선형 매질과 작용하여 새로운 광자를 발생시키는 현상이다.

○ 이때 비선형 매질은 반전 대칭성이 없어야 하며, 연구에서 사용된 MnPS3는 반강자성 상전이가 일어나는 온도(78K) 이하에서 반전 대칭성이 깨지게 된다.

○ 여기에 플로켓 공학을 활용하여, 강한 주기적 구동을 가하면 2차 고조파 발생 세기를 억누를 수 있음을 실험적으로 증명하였다.

그 림 설 명

[그림 1] MnPS3의 2차 고조파 발생 과정 및 반강자성 상전이에 따른 2차 고조파 발생 관측 데이터

MnPS3는 상전이 온도(TN) 이하에서 반강자성을 띄며, 이때 반전 대칭성이 사라지게 된다. 반전 대칭성이 사라진 상태에서는 2차 고조파 발생 현상을 관측할 수 있다.

[그림 2]  강한 주기적 구동에 의한 2차 고조파 발생 세기 감소 및 빛의 세기와 편광에 대한 의존성의 실험값과 이론 계산값

강한 주기적 구동(빛)이 시료에 도달할 때, 시간에 따라 2차 고조파 발생(second harmonic generation) 세기 감소가 어떻게 나타나는지 보여준다. 연구진은 2차 고조파 발생 세기의 변화가 가해지는 빛의 세기와 편광 방향에 강하게 의존함을 확인하였다. 빛의 세기와 편광 방향에 따라 실험에서 얻은 2차 고조파 발생 세기 감소량이 이론적으로 계산한 값과 일치함을 알 수 있다.

연구자 이력사항

<박제근 물리학과 교수, 공동저자>

1. 인적사항

○ 소 속 : 서울대학교 물리천문학부

○ 전 화 : 02-880-6536

2. 학력

○ 1990-1993 박사, Imperial College, London 박사

○ 1988-1990 석사, 서울대학교 물리학과 석사

○ 1984-1988 학사, 서울대학교 물리학과 학사

3. 경력사항

○ 1993 – 1994    박사후 연구원 CNRS, France

○ 1994 – 1996	박사후 연구원/연구교수 Birkbeck College, Univ. London

○ 1996 – 2001	인하대학교 물리학과 조/부교수

○ 2001 – 2010    성균관대학교 물리학과 부/정교수, 석좌교수 (SKKU Fellow)

○ 2010 – 현재	서울대학교 물리천문학부 교수

○ 2020 – 현재    서울대학교 양자물질 연구단 단장

4. 기타 정보

○ 2015	한국물리학회 학술상 수상

○ 2016	한국 과학상 수상

<이성민 서울대학교 물리학과, 제4저자>

1. 인적사항

○ 소 속 : 서울대학교 물리천문학부

○ 전 화 : 02-880-6536

2. 학력

○ 2018-현재, SK하이닉스 선임연구원

○ 2014-2018 석사, 서울대학교 물리학과 석박통합과정

○ 2010-2014 학사, 서울대학교 물리학과 학사