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물리학과 첨단기술 DECEMBER 201 936

Position and Frequency Controlled Quantum Emitters from WSe2 Monolayers on a Micro-Cantilever

(a) (b) (c)

▲ (a) 실리콘 나노패턴 위 WSe2 monolayer와 단일 광자 측정 결과. (b) 전압 인가 방식의 실시간 단일 광자원 파장 제어. (c) 제작한 위치/파장 동시 제어가 가

능한 양자 광소자 모식도와 실제 제작한 소자 사진.

빛에 대한 인류의 관심은 매우 오래되

었지만 현재에도 매우 중요한 연구 대상

이다. 빛을 이용한 연구는 크게는 우주,

작게는 원자를 관찰하는 데 필수적이며

특히, 레이저의 등장 이후 빛을 제어하고

응용하는 기술은 정보, 국방, 의료 등 다

양한 분야에서 활용되고 있다. 최근에는

빛의 양자화 특성을 기반으로 한 양자 광

학 기술이 등장함에 따라 양자화된 빛을

생성하고 제어하는 기술이 차세대 광기반

양자 정보 연구의 핵심 기술로 떠오르고

있다. 다양한 양자 광원 생성 기술 중 원

하는 시간에 단일 광자 생성이 가능한 단

일 양자 구조 제어 기술, 특히 고체 기반

의 단일 광자원 생성 기술은 기존 나노

광학 기술과 결합하여 빠르게 발전해왔다.

하지만 기존 고체 기반 양자 광원의 경우

고효율, 빠른 방출 속도 등 생성 성능 측

면에서는 눈부신 발전이 있었지만 고체

기반 양자 구조의 문제점인 불균일성으로

인해 위치와 발광 파장의 정밀 제어가 아

직까지 도전과제로 남아 있다. 최근

UNIST 물리학과의 김제형 교수 연구팀

은 기존 양자점, 고체 점 결함이 아닌

원자층 두께의 이차원 반도체 물질 기반

의 위치, 파장 동시 제어 가능한 양자

광원 생성 기술 개발에 성공하였다.

본 연구에서는 WSe2 이차원 단일층

물질과 실리콘 기반의 MEMS 소자를 결

합함으로써 기존 반도체 양자 광원의 위

치, 파장 제어의 어려움을 극복하고자 하

였다. 우선, 원자층 두께의 얇은 이차원

물질은 미세 응력 변화에도 전기적/광학

적 특성이 크게 변하게 되는데, 이 점에

착안하여 실리콘 기판에 나노 패턴을 새

긴 후 이차원 반도체 물질을 패턴 위에

올려놓는 것만으로도 고효율의 단일 광

자원이 원하는 위치에 생성됨을 확인하

였다(그림 a). 실리콘 기판 내 나노 패턴

이 반도체 밴드갭을 이차원 평면 내 국

소적으로 변화시킴에 발생되는 엑시톤(전

자/홀 결합)의 양자 구속 효과를 이용한

것이다. 나아가 본 연구에서는 우수한 실

리콘 MEMS 소자 기술을 이용하여, 전

기적으로 응력의 크기를 제어할 수 있는

micro-cantilever를 제작한 후 생성한

양자 광원 파장을 실시간으로 제어하는

데 성공하였다(그림 b). 그림 c는 micro-

cantilever 기반의 위치, 파장 제어가 가

능한 양자 광원 어레이에 대한 모식도와

실제 제작한 반도체 양자 광소자 사진이

다. 반도체 시료 내 국소 응력 변화는

광원의 파장뿐만 아니라, 편광, 미세 구

조(fine structure) 등 다양한 광학 특성

에 영향을 주는데, 본 연구에서는 응력의

제어를 통해 파장뿐만 아니라 미세 구조

갈라짐(fine structure splitting)의 크기

또한 제어 가능함을 함께 보였다.

본 연구 결과는 원하는 위치에 파장

변화가 가능한 다수의 양자 광원을 집적

소자화 할 수 있다는 점과 함께 고가의

성장 장비와 까다로운 성장 공정 없이도

손쉽게 양자 광원 제작이 가능하다는 결

과를 보여주어 미래 활용 가능한 양자

광원 소자 개발 가능성을 크게 높였다.

하지만 차후 양자 상호작용에 핵심인 긴

결맞음 시간 확보를 위해서는 고체 소자

내 불필요한 상호작용 제거 등은 앞으로

해결해 나가야 할 과제로 남아있다.

김효주, 문종성(UNIST), 노기창, 이지은(아주대), 김제

형(UNIST), Nano Lett. 19, 7534 (2019).

DOI: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b03

421

물리학과 첨단기술 DECEMBER 201 9 37

Lifshitz-Transition-Driven Metal-Insulator Transition in Moderately Spin-Orbit- Coupled Sr2-xLaxRhO4

▲ Sr2-xLaxRhO4 단결정의 도핑별 전자 구조. (위) 동 에너지 준위 내 전자 구조의 운동량 분포, (아래) ΓΧ

방향 전자 구조의 에너지-운동량 분포.

강한 전자 상관에 의한 모트 금속-비

금속 상전이 현상(Mott metal-insulator

transition)은 전이금속 산화물의 흥미로

운 현상들 중 오랜 기간 동안 연구되어

온 분야이다. 초창기의 모트 부도체(Mott

insulator) 연구에서는, 좁은 밴드 너비

(bandwidth)와 강한 전자 상관 효과가

존재하는 구리, 철 등의 3d 전이금속 산

화물에서 존재하는 비금속 성질이 주로

연구되었다. 하지만, 그 이후 3d 전이

금속뿐만 아니라 스핀-궤도 상호작용

(spin-orbit coupling)이 큰 물질로 알려

진 5d 전이 금속 산화물에서도 모트 부

도체 현상이 발견되었고, 이러한 발견은

이전까지 3d 전이 금속 산화물에 비해

상대적으로 연구가 부족했던 4d, 5d 전

이 금속 산화물의 연구를 촉진시키는 계

기가 되었다. 서울대학교 물리천문학부

김창영 교수 연구팀은 그 중 4d 전이금

속 산화물인 Sr2-xLaxRhO4 단결정 시료

에서 새로운 금속-비금속 상전이 현상을

발견하였다. 이 상전이 현상은 높은 전도

성을 가진 Sr2RhO4에 란타넘(La) 원자를

도핑함으로써 발현되며, 김창영 교수 연

구팀은 각분해 광전자 분광 실험을 활용

해 도핑에 따른 전자 구조를 측정하여

상전이 현상의 진행 과정과 그 원인을

탐구하였다.

이 상전이 현상은 란타넘 도핑 비율(x)

에 따라 그림에서와 같이 페르미 준위에

존재하는 두 개의 서로 다른 밴드(band)

와 (그림 (h))가 각기 다른 진행과정

을 통해 페르미 준위에서 사라지면서 밴

드 갭을 만드는 현상을 통해 발현된다.

란타넘의 치환은 전자의 도핑 효과를 야

기하게 되고, 이는 결과적으로 Sr2RhO4

의 전자구조에 전자를 도핑한 효과를 일

으킨다. 전자가 도핑됨에 따라 밴드는

모두 채워져 페르미 준위 아래로 내려가

게 된다. 반면에, 밴드의 경우 x

0.4 이후에 모트 부도체로 상전이하는

형태로 밴드가 사라짐이 확인되었다.(그

림 (e), (l)) 이후 란타넘 도핑을 통하여

전자를 더 공급하더라도 갭이 더 커지면

서 더 강한 비금속 상태가 되어 가는 것

이 확인되었다.

Sr2-xLaxRhO4에서 관찰되는 이와 같은

금속-비금속 상전이 현상은 일반적인 경

우와 다른 두 가지 특징을 가지고 있다.

첫째로, 상전이 현상이 일어나는 도핑이

x 0.4로, 총 전자의 개수가 정수가 아

니라는 점이다. 일반적인 모트 부도체 혹

은 밴드 부도체(band insulator) 상태에

서는 필수 조건으로서 정수 개의 전자

개수가 필요하다. 하지만 Sr2-xLaxRhO4에

서 발견된 금속-비금속 상전이 현상은

기존의 통념을 벗어난 비 정수 전자 개

수에서 일어난다는 점에서 매우 희귀한

현상이다.

두 번째로, Sr2-xLaxRhO4의 상전이 현

상은 적당한(moderate) 크기의 스핀-궤도

상호 작용이 있어야만 발현될 수 있다는

점에서 여타 상전이 현상과는 다른 점이

다. 해당 연구에서 실험적으로 관측된 바

에 따르면 Sr2-xLaxRhO4에서의 금속-비

금속 전이 현상은 밴드의 채워짐과 밀접

한 관련을 가진다. 또한, 밴드의 에너지

준위는 스핀-궤도 상호작용의 크기에 의

하여 결정된다. 결과적으로, Sr2-xLaxRhO4

에서의 금속-비금속 전이 현상은 3d나

5d 전이 금속 산화물처럼 너무 약하거나

강하지 않은 적당한 크기의 스핀-궤도

상호작용 상황에서만 발현이 될 수 있는

것으로 생각된다.

해당 연구 결과는, 지금까지 잘 연구

되지 않아왔던 4d 전이금속 산화물의 적

당한 스핀-궤도 상호작용에 대한 역할

연구로서의 의미를 가진다. 해당 연구를

통하여 습득된 적당한 스핀-궤도 상호작

용의 역할에 대한 지식은, 기타 다른 4d

전이 금속 산화물의 특이 현상에 대한

이해에도 큰 도움을 줄 것으로 기대된다.

Junyoung Kwon, Minsoo Kim, Dongjoon Song,

Yoshiyuki Yoshida, Jonathan Denlinger, Wonshik

Kyung, and Changyoung Kim, Phys. Rev. Lett.

123, 106401 (2019).

물리학과 첨단기술 DECEMBER 201 938

Nonambipolar Transport due to Electrons with 3D Resistive Response in the KSTAR Tokamak

▲ (왼쪽 위) KSTAR 토카막 플라즈마 및 설치된 자기 섭동 코일의 구조. (왼쪽 아래) 보통 외부에서

비대칭 자기장을 가할 경우 녹색이나 빨간색처럼 플라즈마 회전이 감소하고 플라즈마 불안정성이 생

겨 플라즈마 회전이 0이 됨. 그러나 파란색 경우 외부 자기장 증가에 따라 역으로 플라즈마 회전이

증가하게 되고 플라즈마 불안정성 발현이 지연되는 것을 볼 수 있음. (오른쪽) 비확산 수송 및 플라즈

마 저항을 상호보완적으로 고려한 본 연구의 전산모사와 기존 전산모사의 전자온도 영상 진단장치 결

과 비교.

토카막(Tokamak) 장치는 자기장을 이

용해 고온의 플라즈마를 가두어 핵융합

을 지속적으로 일으키기 위해 고안된 도

넛 형태의 장치이다. 토카막 플라즈마에

는 다양한 불안정성이 존재하는데 플라

즈마의 회전은 이러한 불안정성을 안정

화 시키는 것으로 알려져 있다. 일반적으

로는 중성입자빔을 한쪽 방향으로 주입

하여 플라즈마 회전을 발생시키는데, 대

규모 핵융합로에서는 플라즈마 체적이

증가함에 따라 중성입자빔에 의한 플라

즈마 회전 구동효율이 극도로 감소하게

된다. 따라서 이를 대체하여 플라즈마 회

전을 발생시키기 위한 다양한 연구들이

수행되어 왔다. 서울대 원자핵공학과의

나용수 교수 연구팀은 KSTAR 토카막장

치에 미량의 외부 자기장을 인가하여 플

라즈마 회전을 증가시키고 이를 통해 플

라즈마의 안정성을 증가시킬 수 있음을

실증하였다.

토카막에 비대칭 외부 자기장을 인가

하면 보통 그림의 녹색이나 빨간색처럼

플라즈마 회전이 감소하게 된다. 이는

외부 비대칭 자기장에 의해 토로이덜

(toroidal) 방향의 대칭성이 깨져 발생하

게 되는 플라즈마 입자의 비확산 수송

(non-ambipolar transport)과 밀접한 연

관을 가지는 것으로 알려져 있다. 플라즈

마 회전의 감소는 보통 플라즈마를 이루

는 전자와 이온 가운데 이온이 만드는

비확산 수송 때문에 발생하게 된다. 반대

로 전자의 비확산 수송은 플라즈마 화전

을 가속시킬 수 있는 것으로 알려져 있

다. 이온은 전자보다 매우 질량이 크기

때문에 일반적으로 비확산 수송도 더 크

게 발생하게 되며 이 때문에 전자의 비

확산 수송은 많은 경우 무시되어 왔다.

본 연구는 전자의 비확산 수송을 관측하

기 위해 이온의 충돌률을 증가시킨 상황

에서 실험을 수행하였다.(이때에 전자는

바나나 모양, 이온은 일반적인 충돌 운동

을 하며 토카막 반경방향으로 빠져나가

게 된다). 이 조건에서 비대칭 자기장을

인가할 경우에는 그림의 파란색 경우처

럼 플라즈마 회전이 증가하고 플라즈마

불안정성 발현이 지연되는 것을 확인할

수 있었다.

추가로 본 연구에서는 플라즈마의 가

속을 정량적으로 설명하기 위해서 플라

즈마 전기저항을 고려하는 것이 중요함

을 발견하였다. 비확산 수송에 의해 발생

한 전류는 자기장의 변화를 발생시키는

데 이 영향을 플라즈마 저항을 포함하여

재차 고려하는 것이 중요하다는 것이다.

이 상호보완적인 효과를 고려한 전산모

사는 KSTAR에 설치된 전자온도 영상 진

단장치를 통해 유추한 플라즈마 이동

(displacement)과 비교한 결과 큰 유사

성을 보였다.

이러한 외부 자기장을 활용한 플라즈

마 가속은 플라즈마의 충돌률이 기존보

다 훨씬 낮을 것으로 예상되는 대규모

핵융합로에서는 훨씬 쉽게 일어날 수 있

을 것으로 예측된다. 따라서 이러한 플라

즈마 회전 가속 기술은 ITER를 비롯한

상용 핵융합로에서 중요한 역할을 할 것

으로 기대된다.

양성무(서울대), 박종규(PPPL), 나용수(서울대), Z.

R. Wang(PPPL), 고원하(NFRI), 인용균(UNIST)

이규동(NFRI), 김상균(서울대), Phys. Rev. Lett.

123, 095001 (2019).

물리학과 첨단기술 DECEMBER 201 9 39

Probing Bayesian Credible Regions Intrinsically: A Feasible Error Certification for Physical Systems

◀ (a) 신용 영역이 양자 상

태 공간 안에 완전히 포함

될 때와 (b) 양자 상태 공

간 경계에 의해서 잘리는

상황에서, 신용 영역 능력에

대한 근사값들(곡선)과 제시

된 알고리즘을 이용하여 시

뮬레이션을 통해서 계산된

값들(점).

양자정보처리에 있어서 우리가 가지고

있는 양자 상태에 대해서 정확하게 기술하

는 것은 매우 중요한 문제이다. 보유하고

있는 양자 상태가 어떤 상태인지 조사하기

위해서 일반적으로 양자 상태 단층촬영

(quantum state tomography)이라는 기법

을 사용한다. 양자 상태 단층촬영 기법을

사용할 경우, 양자 상태의 추정값과 신용

도 및 신용 가능한 영역을 제시해야 한다.

양자통신 및 양자 컴퓨터 등 양자 상

태를 이용하는 정보 처리에 있어서 고차

원 양자 상태를 다루는 것이 특히 중요

한데, 고차원 상태에 대해서 양자 상태

단층 촬영 기법을 사용할 경우 양자 상

태 추정 과정에서 많은 시간적 비효율성

이 야기된다. 지금까지 고차원 양자 상태

에 대해서 추정값을 효율적으로 계산하

는 방법에 관해서는 많은 연구가 있었던

반면, 신용도와 신용 영역 계산에서는 여

전히 효율적인 방법을 개발하는 것이 필

수적이었다. 특히 일반적으로 사용되는

몬테카를로 필터링(Monte Carlo filtering)

방법은 고차원 양자 상태 공간이 매우

넓으며 신용 영역은 차원에 따라서 지수

함수적으로 작아지기 때문에 매우 비효

율적이다. 더우기 고차원 양자 상태 공간

의 수학적 복잡성에 의해 우리가 다루는

양자 상태의 차원이 증가함에 따라서, 매

우 정확히 신용도와 신용 영역을 계산하

는 것이 지수함수적으로 어려워진다는

것이 증명되어 있던 만큼, 효율적 계산

방법에 관한 연구는 매우 중요하다.

양자 상태 단층 촬영 과정에서 충분히

많은 자료를 수집하였을 때에 대해서 근

사적으로 신용도와 신용 영역을 계산하

는 방법은 이미 제시되어 있었다[New J.

Phys. 20, 093009 (2018)]. 그러나 이

러한 근사적 접근은 높은 차원에서 실제

값과는 차이가 나타나기 시작하였기 때

문에, 보다 엄밀한 수치적 방법론의 개발

이 불가피하였다.

본 연구에서는 고차원 양자 상태에 대

한 양자 단층 촬영에서 매우 효율적으로

신용도와 신용 영역을 계산할 수 있는

알고리즘을 제시하고, 시뮬레이션을 통하

여 이를 검증하였다. 기존에 주로 사용되

던 몬테카를로 필터링 방법의 경우, 전체

양자 상태 공간에서 많은 양자 상태를

샘플링(sampling)하고, 이 샘플들 중에서

신용 영역 안에 들어가는 샘플들의 수의

비율을 이용하여 신용 영역을 계산할 수

있었고, 이를 통해서 신용도를 얻어낼 수

있었다. 하지만 이러한 접근은 차원에 따

라서 지수함수적으로 많은 시간을 필요

로 하기 때문에 높은 차원의 양자 상태

에 대한 추정에서 사용되기는 어렵다.

이러한 비효율성을 극복하기 위해서 우

리는 먼저 매개변수화된 신용 영역 내에서

어떤 함수의 평균값을 매개변수를 바꾸어

가며 조사하면 신용 영역과 신용도를 얻어

낼 수 있다는 정리를 증명하였다. 따라서

우리는 양자 상태 공간 전체에서 샘플링을

하지 않고, 매개변수화된 신용 영역 내에

서만 샘플링을 하여 어떤 함수의 평균값을

수치적으로 계산하고 추적하여 신용 영역

과 신용도를 계산할 수 있었다. 양자 상태

공간 전체에서 샘플링을 하지 않기 때문

에, 지수적으로 많은 샘플을 얻을 필요가

없고, 따라서 차원이 커지더라도 매우 효

율적으로 신용 영역 및 신용도를 계산할

수 있게 되었다. 특히 제시된 알고리즘의

경우 차원에 대해 다항함수적인 시간만을

요구한다는 것을 증명할 수 있었고, 따라

서 이 알고리즘은 기존의 몬테카를로 필터

링 방법보다 훨씬 효율적이다. 또한 제시

된 알고리즘을 바탕으로 신용 영역과 양자

상태 추정값 사이의 거리로 정의된 신용

영역 능력이라는 개념을 도입하였고, 근사

적 방법과 시뮬레이션을 통해서 알고리즘

이 잘 작동하는 것을 확인하였다.

이러한 효율성은 고차원 양자 상태에

대한 양자 상태 단층 촬영에 있어서 신

용도와 신용 영역 계산을 빠른 시간 안

에 가능하게 한다는 점에서 의미가 있다.

특히, 앞으로 다양한 양자 정보 처리 과

정에서 계속해서 높은 차원 또는 많은

큐비트를 사용하는 양자 시스템이 많이

개발될 것이므로, 제시된 알고리즘은 이

와 같은 시스템들을 검증하는 데 있어서

매우 중요한 역할을 할 것이다.

오창훈(서울대), Y. S. Teo(서울대), 정현석(서울

대), Phys. Rev. Lett. 123, 040602 (2019),

Phys. Rev. A 100, 012345 (2019).

물리학과 첨단기술 DECEMBER 201 940

Thermal Conductance of Single-Molecule Junctions

▲ 유기 단분자 열전도특성 측정을 위한 STM-BJ 기법의 모식도 및 개념.

유기분자가 단분자 레벨에서 나타내는

전하와 열의 전도특성은 많은 과학자들

이 궁금해 하는 주요 관심사이며 특히

분자를 이용하는 전자소자와 열전발전소

자와 방열소자에 대한 기술의 발전에 큰

영향을 미칠 것으로 기대되어 왔다. 하지

만 단분자의 다양한 특성들(전기전도, 발

광, 열전, 열분산 등)을 정확히 측정할

수 있는 실험적 방법들을 확립하는 것이

선행되어야 했다.

소재의 열전성능은 figure-of-merit(ZT)

값으로 정의되며 이는 ⋅ 2⋅

⋅―1로 나타낼 수 있으며, 이때 는

전기전도도, 는 Seebeck 상수, 는 열

전도도, 는 절대온도를 나타낸다.(가

이를 결정하는 주요 성질임.) 유기 단분

자의 전기전도도와 열전특성은 각각

2003년과 2007년에 실험적으로 밝혀진

데 반해 열전도도는 현재까지 정확히 측

정된 바가 없으므로 유기 단분자 내에서

의 열전달 현상에 대해서도 정확히 규명

된 적이 없었다.

장성연 교수(UNIST 에너지 및 화학공

학부)와 Michigan 주립대학의 Pramod

Reddy 교수 공동연구팀이 picowatt 수

준의 매우 예민한 열 감지 능력을 지닌

탐침형 열량계(calorimetric scanning

probe)를 개발하고 이를 scanning tunnel-

ing microscopy 기반의 break junction

(STM-BJ) 기술에 적용함으로써 다양한

길이의 탄소체인으로 구성된 유기 단분

자의 열전도도를 측정하는 데 세계 최초

로 성공하여 그 결과를 Nature(527,

628, 2019)지에 보고하였다.

이 연구에서는 자가조립된 유기 단분

자층이 덮인 금 기판과 금으로 된 탐침

형 열량계는 진공상태에서 picowatt 수

준의 열흐름을 측정할 수 있도록 설계되

었으며 유기단분자가 두 전극으로부터

분리되면서 발생하는 수십 picowatt 수

준의 작은 온도변화를 열량계가 감지하

도록 하여 유기 단분자의 탄소 사슬을

통해 전달되는 열을 측정해 내는 데 성

공하였다.

이 연구를 통해 유기단분자의 열전도

도가 ∼20 pW/K임을 세계 최초로 밝

혔으며, 특히 그동안 이론적으로 알려져

있고 실험적으로 구현된 적이 없던 “유

기분자의 탄소사슬에서의 열전도는 pho-

non에 의존하여 이루어진다”라는 이론을

유기분자의 길이가 열전도에 크게 영향

을 미치지 않음을 실험적으로 증명함으

로써 밝혀내 기초과학적으로 매우 의미

있는 연구이다.

이론상 금속이나 반도체에서 소재의

길이가 길어질수록 전달되는 전자와 열

도 감소하는 것이 일반적이나 양자효과

가 적용되는 미시 단분자 접합에서는 분

자의 길이에 따라 전자의 전달은 영향을

받지만, 열전달은 거의 일정하다는 사실

을 밝혀낸 연구결과이며, 이는 유기단분

자에서 전자에 의해 발생하는 열전도는

무시할 수 있음을 의미한다.

이번에 규명된 결과에 의하면 유기단

분자의 열전달은 전자전달과는 매우 다

른 거동을 보이며 분자의 길이에 영향을

받지 않아서, 유기분자들과 같은 나노스

케일에서는 100 nm 이상까지도 열의

이동이 가능할 것이라는 이론적 예측과

일치하는 결과이다. 따라서 향후 분자 구

조의 디자인을 통해 새로운 거대분자와

고분자를 개발하고 전자 및 열의 전달

특성을 제어하여 분자에너지 소재를 개

발하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대

되며 더 나아가 유기분자의 낮은 열전도

도는 분자의 길이와 무관하게 거의 일정

하다는 사실을 응용하여 향후 분자컴퓨

팅 소재로 사용될 수 있을 것으로 기대

하게 한다.

Longji Cui, Sunghoon Hur, Zico Alaia Akbar,

Jan C. Klöckner, Wonho Jeong, Fabian

Pauly*, Sung-Yeon Jang*, Pramod Reddy*

and Edgar Meyhofer*(UNIST), Nature 572,

628 (2019).