김영욱 연구실은 그래핀, 이중층 그래핀, 비틀린 이중층 그래핀, hBN 기반 반데르발스 헤테로구조에서 나타나는 전자 상관 효과와 양자수송 현상을 핵심적으로 연구한다. 특히 초고품질 2차원 소자를 제작해 정수 및 분수 양자홀 효과, 층간 결맞음, 초유체적 전하수송과 같은 집단적 양자현상을 실험적으로 규명하는 데 집중한다. 이러한 연구는 단순한 전도 특성 측정을 넘어, 강한 자기장·저온·고압 환경에서 전자의 위상적 성질과 상호작용이 어떻게 새로운 양자상태를 형성하는지 이해하는 데 목적이 있다. 연구실은 그래핀과 hBN의 정밀 적층, 비틀림각 제어, 후처리 기반 소자 품질 향상, 자기수송 측정, RF 반사측정 등 고난도 실험 기법을 활용해 기존에 관측하기 어려웠던 양자상태를 탐색한다. Nature Physics 논문에서 보여준 그래핀 양자홀 에지 전류의 나노스케일 이미징 연구, ACS Nano 논문에서 수행한 반데르발스 헤테로구조 후처리 공정 개선 연구는 이 연구실이 소자 제작과 정밀 측정 양쪽에서 강점을 지니고 있음을 보여준다. 또한 압력 조절을 통해 층간 쿨롱 상호작용을 변화시키며 숨겨진 양자상태를 드러내는 연구도 활발히 수행하고 있다. 이 연구는 2차원 물질에서의 새로운 위상상태와 상관 전자계를 발굴하는 데 중요한 기반이 되며, 장기적으로는 저전력 양자소자와 위상 기반 정보처리 기술로 이어질 수 있다. 특히 자기장 없는 환경에서 정수·분수 초유체 효과를 구현하려는 시도, 비틀린 구조에서의 엑시톤 응축과 복합 페르미온 응축 연구는 차세대 양자물질 설계의 방향을 제시한다. 결과적으로 본 연구 주제는 기초 물리학의 난제를 해결하는 동시에, 양자전자소자와 양자정보 하드웨어의 원천기술을 제공하는 역할을 한다.

연구실의 또 다른 핵심 축은 그래핀 양자점과 초전도 마이크로파 공진기를 결합한 큐빗 소자 개발이다. 이중층 그래핀과 비틀린 이중층 그래핀을 활용한 이중양자점 구조에서 스핀 및 밸리 자유도를 제어하고, 이를 이용해 단일항-삼중항 큐빗과 같은 새로운 양자비트 구현 가능성을 탐색한다. 그래핀은 낮은 핵스핀 잡음, 전기장 기반 제어 가능성, 밸리 자유도 활용성 등으로 인해 차세대 큐빗 플랫폼으로 주목받고 있으며, 연구실은 이러한 장점을 실제 양자소자 설계로 연결하고 있다. 이를 위해 연구실은 초전도 LC 공진기, RF reflectometry, 극저온 측정, 고품질 단결정 및 반데르발스 재료 공정 기술을 통합적으로 사용한다. 관련 프로젝트에서는 초전도 마이크로파 공진기와 그래핀 이중양자점을 결합하여 양자역학적 커플링을 관찰하고, 결맞음 시간이 향상된 마이크로파 양자회로를 개발하는 것을 목표로 하고 있다. 또한 양자통신을 위한 마이크로파 기반 양자회로와 조셉슨 접합 설계, 초전도 큐비트에 적용 가능한 물질 플랫폼 연구도 포함되어 있어, 소자 물리와 회로 양자전기역학이 긴밀히 연결된 연구 구조를 보인다. 이러한 연구는 기존 초전도 큐빗 플랫폼의 한계를 보완하면서, 2차원 물질 기반 큐빗이라는 새로운 하드웨어 경로를 제시한다는 점에서 의미가 크다. 특히 그래핀 양자점의 스핀·밸리 자유도는 다중 정보 저장과 정교한 양자제어에 유리하며, 마이크로파 회로와의 결합은 읽기·제어·연결성 측면에서 확장성을 제공한다. 장기적으로는 양자센싱, 양자통신, 집적형 양자프로세서 구현에 필요한 핵심 소자 기술로 발전할 가능성이 높다.

김영욱 연구실은 강상관 2차원 전자계에서 나타나는 위상적 양자상태를 탐색하고, 이를 활용한 위상 큐빗 및 양자메모리 구현 가능성을 연구한다. 특히 분수 양자홀 상태, 짝수분모 상태, 애니온의 짝짓기 현상, 비가환 통계와 같은 주제는 오류에 강인한 위상양자컴퓨팅의 물리적 토대를 제공한다. 연구실은 비틀린 반데르발스 소재와 초고품질 그래핀 계면에서 이러한 위상적 준입자와 집단적 양자상태를 실험적으로 검증하고, 양자정보 저장 및 제어 구조로 확장하는 데 관심을 두고 있다. 이 방향성은 수행 중인 다수의 국가과제와 특허에서도 분명하게 드러난다. 비틀린 2차원 반데르발스 소재를 이용한 위상 큐비트 개발, 애니온 간 짝짓기 연구, 그리고 LC 회로를 이용한 위상절연 양자메모리 특허는 연구실이 기초 위상물리에서 실제 정보저장 소자 개념으로 연구를 확장하고 있음을 보여준다. 특히 초전도체 기판 기반 LC 회로 격자로 위상상태를 모사하고 영에너지 상태를 이용해 양자정보를 저장·회수하려는 접근은, 고체물리와 회로 기반 양자공학을 접목한 독창적 시도라 할 수 있다. 이 연구의 파급효과는 매우 크다. 위상적 보호를 이용하는 큐빗은 외부 잡음과 오류에 대한 내성이 높아 대규모 양자컴퓨터 구현의 핵심 후보로 여겨지며, 양자메모리는 장시간 정보 보존과 안정적 읽기/쓰기를 가능하게 하는 필수 요소다. 따라서 본 연구실의 위상 양자상태 연구는 새로운 물질과 현상을 찾는 기초과학을 넘어, 미래 대규모 양자컴퓨팅 아키텍처의 핵심 소자와 회로를 설계하는 응용 연구로 이어지는 중요한 가교 역할을 한다.