본 연구실은 분자와 물질의 들뜬 상태 동역학을 정확하게 이해하고자 혼성 양자-고전 알고리즘 개발에 주력하고 있습니다. 전하 이동, 엑시톤 이동, 폴라론 이동, (비)방사성 소멸 등 광전소자, 광화학, 폴라론 화학, 광촉매 등 다양한 분야에서 발생하는 흥미로운 현상들은 분자와 빛의 상호작용에 의해 결정됩니다. 이러한 현상을 정밀하게 설명하기 위해서는 전자와 원자핵의 상관관계를 동시에 고려하는 것이 필수적입니다. 완전한 양자역학적 동역학은 시간 의존 슈뢰딩거 방정식이나 양자 리우빌 방정식을 직접적으로 풀어야 하므로 자유도가 적은 시스템에만 적용이 가능합니다. 이에 따라, 전자와 원자핵의 자유도를 각각 양자역학과 고전역학으로 다루는 혼성 양자-고전 동역학이 현실적인 대안으로 각광받고 있습니다. 본 연구실은 exact factorization(정확 분해) 기반의 다양한 혼성 양자-고전 접근법을 개발하여, 전자-원자핵 상관관계를 정밀하게 다루는 방법론을 제시하고 있습니다. 이러한 연구는 광물질, 분자 기계, 광촉매 등에서의 비선형 광학 현상, 비평형 동역학, 그리고 비상대적 결합 현상 등 복잡한 분자 시스템의 거동을 이해하고 예측하는 데 큰 기여를 하고 있습니다. 궁극적으로는 차세대 광전자 소자 및 기능성 분자 기기의 설계와 최적화에 중요한 이론적 기반을 제공하고 있습니다.

본 연구실은 계산화학과 기계학습을 융합하여 새로운 분자 및 소재의 전자구조와 동역학을 예측하고, 이를 바탕으로 혁신적인 분자 디바이스를 설계하는 연구를 수행하고 있습니다. 예를 들어, DNA 시퀀싱 디바이스, 분자 센서, 광스위칭 디바이스, 광자 디바이스, 광합성 소재 등 다양한 나노 및 분자 소자 설계에 이론적·계산적 방법을 적용하고 있습니다. 특히, pyUNIxMD와 같은 자체 개발한 시뮬레이션 소프트웨어를 활용하여, 다양한 혼성 양자-고전 알고리즘 기반의 들뜬 상태 분자 동역학 시뮬레이션을 수행하고 있습니다. 또한, 반도체, 금속-유기 골격체(MOF), 2차원 소재 등 다양한 재료 시스템에 대해 기계학습 기반의 퍼스트 프린시플스 포텐셜을 개발하여, 대규모 시스템의 구조, 에너지, 동역학, 물성, 성능 등을 예측하고 있습니다. 이러한 연구는 기존의 계산화학적 접근법의 한계를 극복하고, 신속하고 정밀한 소재 설계 및 기능성 분자 디바이스 개발을 가능하게 합니다. 나아가, 차세대 에너지 소자, 바이오센서, 스마트 소재 등 다양한 응용 분야에서 혁신적인 기술 발전을 이끌고 있습니다.

본 연구실은 빛에 의해 구동되는 분자 기계(예: 분자 로터리 모터)와 광화학 반응의 이론적 설계 및 동역학 연구에 중점을 두고 있습니다. 분자 로터리 모터는 빛의 에너지를 기계적 회전 운동으로 변환하는 분자로, 광유도 분자 기계의 작동 원리와 효율을 이론적으로 규명하고, 광-물질 상호작용이 분자 동역학에 미치는 영향을 심층적으로 분석합니다. 특히, 광공명 캐비티 내에서의 강한 광-물질 결합이 분자 모터의 들뜬 상태 소멸 특성과 회전 속도에 미치는 영향, 용매 환경이 광이성질화 동역학에 미치는 영향 등 다양한 조건에서의 분자 기계 동역학을 다중 스케일 시뮬레이션으로 연구합니다. 이를 통해, 분자 기계의 효율 향상 및 새로운 동작 원리 설계에 필요한 이론적 지침을 제공합니다. 이러한 연구는 미래형 나노기계, 스마트 소재, 광반응 기반 에너지 변환 소자 등 다양한 분야에서의 응용 가능성을 넓히고 있습니다. 또한, 분자 수준에서의 에너지 변환 및 정보 처리 기술 개발에 중요한 역할을 하고 있습니다.