Topological Quantum Device Lab
물리 김영욱
Topological Quantum Device Lab은 2차원 양자 물질과 그 헤테로구조에서 나타나는 다양한 양자 현상과 위상적 특성을 심층적으로 연구하는 선도적 연구실입니다. 본 연구실은 그래핀, 전이금속 칼코게나이드, 반데르발스 자성체 등 다양한 2차원 소재를 기반으로, 양자 홀 효과, 분수 양자 홀 상태, 위상적 전자상, 그리고 다체 상호작용 현상에 대한 실험적·이론적 연구를 수행하고 있습니다.
특히, 비틀린 이중층 그래핀과 같은 구조에서는 층간 결맞음이 유도하는 엑시톤 응축, 분수 양자 홀 초유체, 비아벨리언 애니온 등 혁신적인 양자 상태를 실험적으로 관찰하고, 그 기초 물리와 응용 가능성을 탐구합니다. 또한, 다양한 2차원 물질을 조합한 반데르발스 헤테로구조를 설계·제작하여, 새로운 위상적 자성체와 신물질을 성장시키고, 극한 조건(초저온, 고자기장, 고압력 등)에서의 물성 측정을 통해 미지의 양자상과 위상적 현상을 규명하고 있습니다.
연구실은 고품질 단결정 성장, 정밀 나노패터닝, 저온 및 고자기장 수송 측정, 원자력 현미경 및 다양한 분석 장비를 활용하여, 실험적 정확성과 재현성을 극대화하고 있습니다. 또한, 삼성전자, 한국연구재단, DGIST, Max Planck Institute 등 국내외 유수 연구기관과의 협력 및 공동연구를 통해, 세계적 수준의 연구성과를 지속적으로 창출하고 있습니다.
본 연구실의 주요 연구 주제는 양자 홀 효과 및 분수 양자 홀 상태, 위상적 반데르발스 자성체, 신물질 설계 및 성장, 다체 상호작용과 위상적 전자상, 그리고 차세대 양자 소자 및 정보처리 응용 등입니다. 최근에는 모아레 초격자 구조에서의 비선형 란다우 팬, 밸리트로닉스, 스핀트로닉스, 위상 양자 컴퓨팅 등 첨단 분야로 연구를 확장하고 있습니다.
이러한 연구를 통해, Topological Quantum Device Lab은 저차원 물질의 새로운 물리 현상에 대한 근본적 이해를 심화시키고, 차세대 양자 소자 및 정보기술의 혁신적 발전에 기여하고 있습니다. 실험과 이론을 아우르는 융합적 접근을 통해, 미래 양자과학의 핵심을 선도하는 연구실로 자리매김하고 있습니다.
van der Waals Heterostructures
Twisted Bilayer Graphene
2D Semiconductor Devices
2차원 양자 물질과 헤테로구조에서의 양자 홀 효과 및 상호작용
본 연구실은 그래핀 및 다양한 2차원 물질을 기반으로 한 양자 홀 효과와 그에 수반되는 다체 상호작용 현상을 심도 있게 연구하고 있습니다. 그래핀의 우수한 이동도와 독특한 쿨롱 상호작용 특성을 활용하여, 부분적으로 채워진 란다우 준위에서 나타나는 새로운 상관된 바닥상태를 탐구합니다. 특히, 비틀린 이중층 그래핀과 같은 구조에서는 층간 결맞음이 유도하는 엑시톤 응축, 분수 양자 홀 상태, 그리고 심지어 비아벨리언 애니온과 같은 이색적인 준입자 현상까지 실험적으로 관찰하고 있습니다.
이러한 연구는 초고품질의 2차원 전자계 샘플 제작, 정밀한 저온 및 고자기장 측정 기술, 그리고 다양한 외부 매개변수(전기장, 압력, 자기장 등)의 조절을 통해 이루어집니다. 이를 통해, 기존 반도체 기반 시스템에서 볼 수 없었던 새로운 양자 상전이와 위상적 특성을 규명하고, 복잡한 상호작용이 만들어내는 다체 물리의 본질을 밝히고자 합니다. 또한, 최근에는 모아레 초격자 구조에서 나타나는 비선형 란다우 팬 다이어그램, 밸리-스핀 결합 현상, 그리고 분수 양자 홀 초유체 상태 등 다양한 혁신적 결과를 도출하고 있습니다.
이러한 연구는 차세대 양자 소자 및 정보처리 기술의 기반이 되는 새로운 물리 현상에 대한 이해를 심화시키며, 궁극적으로는 양자 컴퓨팅, 밸리트로닉스, 스핀트로닉스 등 응용 분야로의 확장 가능성을 제시합니다. 실험적 발견과 이론적 모델링을 결합하여, 2차원 물질의 전자적, 자기적, 위상적 특성을 총체적으로 규명하는 것이 본 연구실의 핵심 목표입니다.
위상적 반데르발스 자성체 및 신물질 설계·성장
본 연구실은 위상적 특성을 지닌 반데르발스 자성체와 새로운 저차원 물질의 설계, 성장, 그리고 특성 분석에 중점을 두고 있습니다. 최근 그래핀과 위상 절연체의 발견은 전통적인 대칭성 파괴에 기반한 상전이와는 다른, 전자파동함수의 '꼬임'에 기초한 위상적 양자상 개념을 도입하였습니다. 이에 따라, 자성과 밴드 위상성이 결합된 새로운 물질군을 탐색하고, 이들이 보여주는 거대 위상 수송 현상 및 스핀트로닉스 응용 가능성을 실험적으로 검증하고 있습니다.
연구실에서는 금속, 강자성체, 초전도체 등 다양한 바닥상태를 가진 2차원 물질을 선택적으로 조합하여, 반데르발스 힘을 이용한 헤테로구조를 제작합니다. 이를 통해 각 물질의 고유 특성을 결합하거나 새로운 상을 유도하여, 미지의 물리적 영역을 개척하고 있습니다. 또한, 단결정 성장, 플럭스 성장, 화학/물리적 기상 운반, 브리지만 방법 등 다양한 성장 기법을 활용하여 고품질의 샘플을 확보하고, 전자 및 스핀트로닉 수송 특성을 정밀하게 측정합니다.
이러한 연구는 차세대 위상 전자소자, 스핀트로닉스, 양자 정보 소자 등 혁신적 응용 분야로의 확장성을 가지고 있습니다. 나아가, 다중 극한 조건(초저온, 고자기장, 고압력, 고전기장)에서의 물성 측정 및 새로운 위상적 자성체의 발견을 통해, 저차원 물질의 위상적 구조와 그 기능성을 심층적으로 규명하고 있습니다.
1
Observation of 1/3 Fractional Quantum Hall Physics in Balanced Large Angle Twisted Bilayer Graphene
Dohun Kim†, Seyoung Jin†, Takash Taniguchi, Kenji Watanabe, Jurgen H. Smet, Gil Young Cho*, Youngwook Kim*
Nature Communications, 2025
2
Non-linear Landau Fan Diagram for Graphene Electrons Exposed to a Moiré Potential
Pilkyung Moon†, Youngwook Kim†, Mikito Koshino†, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Jurgen H. Smet*
Nano Letters, 2024
3
Robust Interlayer-Coherent Quantum Hall States in Twisted Bilayer Graphene
Dohun Kim†, Byungmin Kang†, Yong-Bin Choi, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Gil-Ho Lee, Gil Young Cho*, Youngwook Kim*
Nano Letters, 2023
1
Contact Engineering for 2D Semiconductor from Samsung electronics
2
Young Researcher Program from NRF
3
Quantum Information Science 1 with MPI from NRF
