물리학과

연구 개요 (Research Overview) 본 논문은 870 마이크로미터(µm, 345 GHz) 파장대에서 진행된 초장기선 간섭계(VLBI)의 최초 관측 결과를 보고한다. 연구진은 칠레, 하와이, 스페인에 위치한 망원경 간의 대륙 간 장거리 기선(baseline)을 이용하여, 2018년 10월에 이루어진 관측을 통해 여러 천체를 대상으로 강력한 신호 검출에 성공하였다. 이 연구에서 얻어진 최장 기선의 길이는 약 11 Gλ(기가파장)로, 약 19 마이크로아크초(µas)의 각분해능을 달성하여 지상에서 얻은 기존 VLBI 관측 중 가장 높은 분해능 기록을 세웠다. 관측된 데이터의 위상 안정성은 기존 1.3 mm 파장 관측 결과와 유사한 수준을 나타냈다. 이번 연구는 이벤트 호라이즌 망원경(Event Horizon Telescope, EHT)의 민감도와 시스템 안정성이 870 µm 파장대의 초고주파 VLBI 관측에도 충분히 적합함을 입증했다. 향후 이 기술을 활용하면 초대질량 블랙홀의 사건 지평선(event horizon)을 더욱 높은 해상도로 관측할 수 있으며, 블랙홀의 그림자 및 제트 발사 영역과 같은 미지의 천체물리학적 현상 연구에 중대한 발전을 가져올 것으로 기대된다. 원문링크 : 10.3847/1538-3881/ad5bdb

연구 개요 (Research Overview) 본 연구는 고분자 액체를 다루는 복소 랑주뱅 장이론 시뮬레이션(complex-Langevin field-theoretic simulations, CL-FTSs)에서 중요한 역할을 하는 자가 일관 장 이론(self-consistent field theory, SCFT)의 안장점(saddle-point) 해의 성질을 분석하였다. 기존에는 고분자 시스템에서 실수값의 장(field)으로 표현된 SCFT 안장점이 독립적으로 존재한다고 여겨져 왔으나, 본 연구를 통해 이러한 실수 안장점들이 복소수를 포함하는 연속적인 낮은 차원의 안장점 집합에 속해 있다는 사실을 밝혔다. 연구진은 이를 고분자 장이론의 해밀토니안(Hamiltonian)이 가지는 해석적 성질과 병진 대칭성(translational invariance)의 필연적 결과로 해석하였다. 특히, 이러한 복소 안장점들은 기존의 실수 안장점에서 복소 공간으로의 일반화된 병진(complex translation)을 통해 형성될 수 있음을 수학적, 수치적으로 입증하였다. 또한, 복소 병진에 의한 불안정성을 최소화하는 수치 알고리즘을 제안하고 이를 통해 CL-FTS 시뮬레이션의 정확성과 안정성을 개선하는 방안을 제시하였다. 본 연구 결과는 고분자 및 복합유체 시스템의 정확한 물성 예측 및 고분자 모사 시뮬레이션의 성능을 크게 향상시키는 데 기여할 것으로 기대된다. 원문링크 : https://doi.org/10.1021/acs.macromol.4c01617

연구 개요 (Research Overview) 본 논문은 용매의 동위원소 치환, 즉 일반 물(H₂O)을 중수(D₂O)로 대체했을 때, 리오트로픽 크로모닉 액정(lyotropic chromonic liquid crystals, LCLCs)의 상전이 특성과 구조가 어떻게 달라지는지를 정밀하게 규명한 연구이다. 실험에 사용된 모델 시스템은 음전하를 띠는 판상 분자인 디소듐 크로모글리케이트(DSCG)로, 물속에서 비공유 결합을 통해 길게 자기 조립된 후 네마틱 또는 컬럼 상을 형성한다. 연구진은 D₂O를 사용한 경우가 H₂O보다 네마틱-등방상 전이 온도가 약 5도 더 높으며, 이는 더 안정된 네마틱 상을 의미한다는 사실을 밝혀냈다. 광학 현미경 관찰, X선 산란(WAXD/SAXS) 분석을 통해 두 용매 사이에서 분자 구조 및 상호작용의 변화를 정량화한 결과, D₂O 용매에서는 입자 간 상관길이(ξD)가 약 20% 더 길다는 점을 확인했다. 이는 D₂O가 만든 액정 상이 더 조직화되어 있다는 증거다. 핵심적으로, 23Na 핵자기공명(NMR) 분석 결과, D₂O에서는 더 많은 Na⁺ 이온이 DSCG 집합체에 결합되어 있어, D₂O 환경의 DSCG가 더 낮은 전하 밀도를 가진다는 사실을 확인했다. 이는 입자 간 정전기 반발력이 약해졌음을 의미하며, 그 결과 네마틱 상이 안정화되었음을 설명한다. 본 연구는 단순한 용매 동위원소 치환이 복잡한 자기조립 구조와 상전이 거동에 실질적 영향을 미칠 수 있음을 보여주며, 향후 다양한 연성 물질(soft matter) 및 생체 시스템에서의 이온 결합, 자기조립, 상전이 메커니즘을 이해하는 데 중요한 통찰을 제공한다. 원문링크 : 10.48550/arXiv.2409.05097

연구 개요 (Research Overview) 본 연구는 알루미늄(Al)/그래핀(graphene)/이산화규소(SiO₂)/규소(Si) 구조의 금속-산화물-반도체(MOS) 접합에서 Al 전극의 유효 일함수(effective work-function)가 그래핀 계면층 삽입을 통해 큰 폭으로 증가함을 실험적으로 규명하였다. 연구팀은 Al 전극과 SiO₂ 계면에 그래핀을 삽입함으로써 Al의 유효 일함수가 기존 대비 약 1.04 eV 증가하여, Al 전극이 본래 n형 MOSFET에 적합한 낮은 일함수 금속임에도 p형 MOSFET의 게이트 전극으로도 사용될 가능성을 확인했다. 연구진은 포아송 방정식(Poisson equation)을 해석적으로 풀어, 이러한 현상이 Al과 그래핀 사이에서 형성된 전기 쌍극자(electric dipole layer)에 의해 발생함을 입증하였다. 이는 전자 오비탈이 두 층 사이에서 비대칭적으로 분포하기 때문에 생기는 현상으로 설명된다. 이 연구 결과는 Al을 이용한 단일 금속화 공정만으로 n형 및 p형 MOSFET을 모두 구현할 수 있는 듀얼 금속 게이트 CMOS 회로의 가능성을 제시하여, 향후 소자 제조 공정의 단순화와 비용 절감에 크게 기여할 것으로 기대된다. 원문링크 : https://doi.org/10.1002/aelm.202400139

연구 개요 (Research Overview) 본 연구는 운동성을 가진 박테리아(Bacillus subtilis)가 액정상과 등방상(isotropic–nematic)의 공존 영역에서 나타나는 액체-액체 경계면을 가로지르는 과정을 분석한 실험 연구이다. 연구진은 크로모닉 액정(chromonic liquid crystal)의 등방-네마틱 계면에서 박테리아가 어떻게 경계면과 상호작용하며 이동하는지를 준-2차원 환경에서 실험적으로 관찰하였다. 분석 결과, 박테리아가 경계면에 수직에 가까운 각도로 접근할 때 경계를 더 쉽게 넘는 것을 확인했으며, 박테리아의 길이와 속도가 경계면 통과 여부에 미치는 영향을 이론적 모델을 통해 설명했다. 또한, 박테리아가 네마틱 상으로 진입하면 플라젤라(flagella) 다발이 재배열되어 운동 특성이 즉각적으로 변화하며, 더 빠르지만 덜 흔들리며 이동하는 현상을 발견하였다. 이번 연구는 다양한 상이 공존하는 생물학적 환경에서 미생물의 이동과 활성 물질(active matter)의 상호작용을 이해하는 데 중요한 기초 자료를 제공한다. 원문링크 :https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/sm/d4sm00766b

연구 개요 (Research Overview) 본 연구는 차세대 투명 전도 산화물(TCO) 소재로 주목받는 SrNbO₃ 박막의 제조 공정 최적화를 통해 기존의 대표적 TCO인 인듐주석산화물(ITO)의 성능을 뛰어넘는 높은 성능 지표(figure of merit, FOM)를 달성한 결과를 제시하였다. 연구진은 펄스 레이저 증착법(PLD)을 통해 순수한 아르곤(Ar) 분위기에서 결정 구조 및 화학 조성이 이상적인 상태에 가까운 SrNbO₃ 박막을 성공적으로 제조했다. 제조된 박막은 상온에서 10 Ω/sq의 매우 낮은 시트 저항(sheet resistance, Rs)을 보였으며, 가시광선 영역에서 평균 87%의 우수한 투과율(transmittance)을 나타냈다. 이러한 성능은 기존 ITO보다 한 차원 높은 FOM(2.6×10⁻²)을 기록하여, 기존 소재 대비 약 4배의 성능 향상을 이뤄냈다. 연구진은 구조 분석과 전자적 특성 분석을 통해 이상적인 SrNbO₃ 상(phase)의 중요성을 입증하였으며, 향후 고성능 광전자 소자 및 디스플레이 분야에서 기존 ITO를 대체할 수 있는 소재로서 SrNbO₃ 박막의 가능성을 제시하였다. 원문링크 : https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2024.04.050 Keywords Transparent conducting oxides Oxide heterostructures Pulsed laser deposition Optical spectroscopy SrNbO3

연구 개요 (Research Overview) 본 연구는 형광 단백질인 NowGFP가 두 가지 다른 결정 형태(polymorph)를 가질 때 나타나는 단백질 구조의 차이점을 비교하여, 크리스탈 패킹(crystal packing)이 단백질의 새로운 입체 구조를 유도할 수 있음을 밝혔다. 연구팀은 pH 조건을 달리하여 형성된 단사정계(monoclinic) 결정 형태와 새로 발견된 사방정계(orthorhombic) 결정 형태의 NowGFP 구조를 고해상도 X-선 결정학으로 분석하였다. 분석 결과, 두 결정 형태는 단백질 분자의 선형 조립(linear assembly) 구조는 유사하였으나, 이 조립체들이 쌓이는 방식에서 큰 차이를 보였다. 단사정계에서는 병렬로, 사방정계에서는 수직으로 쌓이며, 이러한 차이가 단백질 구조에 변형을 유발했다. 특히 사방정계 결정 내의 특정 분자에서 베타 배럴(β-barrel) 구조의 변형과 함께, 형광 발광 스펙트럼의 pH 의존적 변화를 유발하는 핵심 아미노산 Lys61의 움직임이 제한되는 새로운 구조 상태가 포착되었다. 본 연구는 단백질 결정의 구조적 다양성이 단백질의 기능적 특성과 밀접하게 연관될 수 있음을 보여주며, 향후 단백질 설계 및 구조 연구에 중요한 통찰력을 제공한다. [wonderplugin_pdf src="https://physics.unist.ac.kr/physics-arxiv/wp-content/uploads/2025/03/Abac_2024_ApJL_970_L34-3.pdf" width="100%" height="900px" style="border:0;"]

연구 개요 (Research Overview) 본 연구는 이차원(2D) 소재인 이셀레늄화 텅스텐(WSe₂)을 이용한 고효율 단일 광자 방출 소자(quantum emitter)를 구현하는 데 성공한 연구이다. 연구팀은 플라즈모닉 효과와 이중 게이트 기술을 융합한 독창적인 설계를 통해, 방사(radiative) 및 비방사(nonradiative) 붕괴를 모두 효과적으로 제어함으로써 소자의 양자 효율을 최대 90%까지 높이는 데 성공했다. 금 나노갭 구조와 육방정계 질화붕소(hBN)로 WSe₂ 단층을 감싸는 다층 구조를 이용하여 국소적으로 엑시톤(exciton)을 포획하고, Auger 재결합과 같은 비방사적 손실 채널을 획기적으로 억제하였다. 이 결과로 광 발광 강도는 기존 대비 약 100배 증가했으며, 플라즈모닉 결합을 통해 광자 방출 속도 또한 약 20배 증가했다. 이번 연구는 2D 소재 기반 단일 광자 소자의 성능을 현저히 개선해, 양자 정보 기술과 광자 집적 회로 등 차세대 양자 기술 발전에 기여할 것으로 기대된다. 원문링크 : https://doi.org/10.1038/s41566-024-01487-y

연구 개요 (Research Overview) 이 연구는 Advanced LIGO, Advanced Virgo, KAGRA 중력파 검출기 네트워크에서 포착된 2.5–4.5 태양질량(M⊙)의 미지의 소형천체(compact object)와 중성자별(neutron star)의 병합 사건에서 발생한 중력파 신호를 최초로 분석한 결과이다. 이 사건은 중성자별과 블랙홀, 또는 매우 무거운 중성자별과의 합병 가능성을 포함한 다양한 이론적 가능성을 열어두고 있으며, 특히 천체물리학적 및 핵물리학적 측면에서 중요한 함의를 가진다. 연구팀은 이 사건의 중력파 신호를 정밀하게 분석하여 병합된 천체의 질량과 회전 상태를 추정하였고, 이로써 블랙홀과 중성자별 간의 경계 영역(mass-gap)에 대한 이해를 넓혔다. 또한, 이 사건이 중력파 신호 외에 전자기 신호를 동반했는지 여부를 조사하여 다중신호 천문학(multimessenger astronomy)의 가능성도 탐색하였다. 본 연구는 천체물리학에서 미지의 천체들의 본질을 이해하고, 중력파 천문학의 관측 가능성을 크게 확장하는 계기가 될 것으로 기대된다. [wonderplugin_pdf src="https://physics.unist.ac.kr/physics-arxiv/wp-content/uploads/2025/03/Abac_2024_ApJL_970_L34.pdf" width="100%" height="900px" style="border:0;"]

연구 개요 (Research Overview) 본 연구는 표면 산화된 니켈폼(Nickel Foam, NF) 위에 루테늄(Ru) 전구체를 직접 전기도금(electroplating)하여 고효율이면서 안정적인 알칼리성 물 분해(bifunctional alkaline water electrolysis)를 위한 촉매를 개발한 것이다. 기존 귀금속 기반 촉매는 높은 비용과 불안정성으로 인해 널리 상용화되기 어려운 한계가 있었다. 연구진은 갈바닉 치환반응(galvanic replacement)을 통해 니켈폼 표면에 Ru 나노입자와 니켈수산화물(Ni(OH)₂)이 직접적으로 결합된 Ru–Ni(OH)₂ 구조를 형성하였다. 이를 통해 활성 중심의 전자 구조가 조정되어 촉매의 성능과 안정성을 극대화했다. 개발된 Ru–Ni(OH)₂/NF 촉매는 산소 발생 반응(OER)과 수소 발생 반응(HER) 모두에서 뛰어난 활성을 보여, 각각 10 mA/cm²의 전류밀도에서 228 mV(OER), 15 mV(HER)라는 매우 낮은 과전압을 달성했다. 산업 규모의 높은 전류밀도(1500 mA/cm²)에서도 기존 상업용 촉매보다 월등한 성능을 보였다. 추가적으로 실험 및 이론적 분석을 통해 촉매의 뛰어난 안정성과 효율성이 루테늄의 최적 산화 상태와 표면에서의 전자적 상호작용 덕분임을 규명했다. 본 연구는 향후 고효율 수소 생산 및 지속 가능한 에너지 저장 기술 발전에 중요한 기여를 할 것으로 기대된다. 원문링크 : https://doi.org/10.1002/adma.202403151