열 캐리어(HCs)의 느린 냉각은 HC 기반 태양전지, 트랜지스터, 포토디텍터를 구현하는 데 필수적이며, 이는 HCs의 과잉 에너지에 대한 추출 효율을 향상시키기 때문이다. 최근 페로브스카이트가 HC 냉각 시간이 길다는 점에서 주목받고 있으나, 독성 및 낮은 공기 안정성과 같은 문제에 직면해 있다. 여기에서는 초고속 일시 흡수(TA) 분광법을 이용하여 독성이 없고 공기 안정성이 우수하며 높은 캐리어 이동성을 갖는 2D 물질인 박막(몇 층) α-In 2 Se 3에서 HC 동역학을 조사한다. TA 스펙트럼의 라인셰이프 분석은 HC 온도, 밀도, 준페르미 에너지, 밴드갭의 동역학과 더불어 이들 사이의 복잡한 상호작용을 드러낸다. 특히, 약 ≈35 ps의 느린 캐리어 냉각 시간이 관측되며, 이는 전형적인 대부분의 2D 물질보다 현저히 길고 페로브스카이트와 비슷한 수준이다. 관측된 HC 준페르미 에너지의 느린 감쇠를 동반하는 이러한 연장된 HC 냉각은 HC 소자에 상당한 이점을 제공한다. 또한 다체 상호작용, 밴드갭 재정규화, 격자 가열과 같은 핵심 동적 과정들이 규명되었으며, 그로부터 결함-보조 오제르(Auger) 계수와 계면 열전도율을 포함하여 HC 소자 성능에 영향을 미치는 중요 파라미터들이 추출된다. 본 연구는 α-In 2 Se 3의 HC 응용 가능성을 부각할 뿐만 아니라, 그 초고속 광응답에 대한 포괄적인 이해를 제공한다.

. 이러한 변형(스트레인) 조절 가능 스위칭은 반복 가능하고 가역적이며, 서브-피코초 수준의 동작을 견고하게 유지한다. 제1원리 계산에 따르면, 전자 밴드 구조의 운동량 및 밴드 의존적 변조에 의해 스트레인 제어가 가능해지며, 그 결과 여기자(excitonic) 및 비-여기자(non-excitonic) 전이에 각각 반대 방향의 이동이 발생한다. 본 연구 결과는 고성능, 파장-가변, 편광-선택적 초고속 광학 스위칭을 위한 새로운 접근법을 제시한다.

가시광 및 적외선 파장으로 구성된 이중대역 광 신호는 야간 관측, 차량 안전, 생체영상화, 광통신 등 다양한 분야에서 상당한 잠재력을 지닌다. 그에 따라 가시-적외선 이중대역 신호를 위한 변조 기법, 특히 다양한 전기색소자(electrochromic devices)에 대해 많은 관심이 집중되어 왔다. 그러나 이러한 소자들은 종종 낮은 속도와 복잡한 구조를 가지므로, 현재의 초고속 온칩 나노포토닉스에 대한 요구를 충족시키기에는 부적합하다. 본 연구에서는 낮은 대칭성을 갖는 층상 나노물질인 셀렌화 탈륨(thallium selenide, TlSe)에서 초고속 이중대역 선택적 광 스위칭을 제시한다. 과도 흡수 현미경(transient absorption microscopy)은 가시광 및 근적외선(NIR) 영역에서 서로 구별되는 변조 대역을 직접적으로 관찰한다. 특히, 이들 대역은 직교하는 편광 의존성을 나타내어 편광 제어를 통해 가시광과 NIR 빛을 선택적으로 변조할 수 있게 한다. 이론적 분석에 따르면 가시광 및 NIR 영역의 변조 대역은 각각 전자와 정공의 수직으로 비등방적인 여기 상태 흡수에서 기인한다. 이는 전자와 정공에 대해 관측된 서로 다른 초고속 냉각 시간으로 뒷받침된다. 또한 변조는 효율적인 오제르 재결합(Auger recombination)으로 인해 피코초 스케일의 동역학을 보인다. 이러한 탁월한 특성들은 낮은 대칭성을 갖는 TlSe가 초고속 이중대역 나노포토닉스를 위한 새로운 재료로서 유망함을 시사한다. 더 나아가 본 연구는 유효 질량 의존적 냉각 및 다체 상호작용을 포함한 비등방성 캐리어 동역학에 대한 근본적인 통찰을 제공한다.

층상(層狀)의 준 1차원(nanormaterials) 나노재료는 강한 선형 이색성(linear dichroism)과 효과적인 빛-물질 상호작용을 보이며, 빛의 편광을 구동으로 하는 새로운 정보 장치에 대한 가능성을 제시한다. 특히 이들의 광학적 이방성 및 초고속 광응답은 편광 제어형 나노포토닉 스위치와 변조기의 구현을 가능하게 한다. 그러나 변조 메커니즘에 대한 이해가 충분하지 않고 소수의 재료에 대한 연구가 제한적이어서, 해당 기술은 여전히 상당한 추가 연구를 필요로 한다. 본 연구에서는 천이금속 삼칼코게나이드(trichalcogenide) 계열의 부상하는 준 1차원 재료인 TiS3 나노리본에서, 초고속 편광 기반 광 스위칭을 조사하기 위해 일시 흡수(TA) 현미경을 사용하였다. 소프로(picosecond) 이하의 아(亞)피코초(sub-picosecond) 영역에서의 강한 이방성 근적외선 변조가 관찰되었으며, 이는 탐침 펄스(probe pulse)의 편광이 나노리본의 축과 정렬될 때 가장 두드러지지만, 편광을 수직 방향으로 회전시키면 사라진다. 저자들은 이와 같은 탐침 펄스 편광에 대한 현저한 의존성을, 과열 캐리어(hot carrier)가 유도하는 이방성 간대(interband) 공명(anisotropic interband resonance)의 폭 넓어짐(broadening)으로 설명하며, 일시 흡수(TA) 선형상의 분석과 제일원리(first principles)로 계산한 광학적 전이(optical transitions)에 의해 뒷받침된다. 또한 펌핑 에너지를 조절함으로써 펌프(pump) 편광 의존적 강한 변조가 얻어지며, 이는 오직 편광만으로 제어되는 고도로 이방성의 올-광(all-optical) 스위칭을 가능하게 한다. 이러한 결과는 탐침-편광 및 펌프-편광 기반 변조에 관한 포괄적인 정보를 제공함과 동시에, 초고속 과열 캐리어 동역학을 통한 편광 의존 광응답의 더 깊은 물리적 이해를 제공한다.

열 캐리어(HCs)의 느린 냉각은 HC 기반 태양전지, 트랜지스터, 포토디텍터를 구현하는 데 필수적이며, 이는 HCs의 과잉 에너지에 대한 추출 효율을 향상시키기 때문이다. 최근 페로브스카이트가 HC 냉각 시간이 길다는 점에서 주목받고 있으나, 독성 및 낮은 공기 안정성과 같은 문제에 직면해 있다. 여기에서는 초고속 일시 흡수(TA) 분광법을 이용하여 독성이 없고 공기 안정성이 우수하며 높은 캐리어 이동성을 갖는 2D 물질인 박막(몇 층) α-In 2 Se 3에서 HC 동역학을 조사한다. TA 스펙트럼의 라인셰이프 분석은 HC 온도, 밀도, 준페르미 에너지, 밴드갭의 동역학과 더불어 이들 사이의 복잡한 상호작용을 드러낸다. 특히, 약 ≈35 ps의 느린 캐리어 냉각 시간이 관측되며, 이는 전형적인 대부분의 2D 물질보다 현저히 길고 페로브스카이트와 비슷한 수준이다. 관측된 HC 준페르미 에너지의 느린 감쇠를 동반하는 이러한 연장된 HC 냉각은 HC 소자에 상당한 이점을 제공한다. 또한 다체 상호작용, 밴드갭 재정규화, 격자 가열과 같은 핵심 동적 과정들이 규명되었으며, 그로부터 결함-보조 오제르(Auger) 계수와 계면 열전도율을 포함하여 HC 소자 성능에 영향을 미치는 중요 파라미터들이 추출된다. 본 연구는 α-In 2 Se 3의 HC 응용 가능성을 부각할 뿐만 아니라, 그 초고속 광응답에 대한 포괄적인 이해를 제공한다.

. 이러한 변형(스트레인) 조절 가능 스위칭은 반복 가능하고 가역적이며, 서브-피코초 수준의 동작을 견고하게 유지한다. 제1원리 계산에 따르면, 전자 밴드 구조의 운동량 및 밴드 의존적 변조에 의해 스트레인 제어가 가능해지며, 그 결과 여기자(excitonic) 및 비-여기자(non-excitonic) 전이에 각각 반대 방향의 이동이 발생한다. 본 연구 결과는 고성능, 파장-가변, 편광-선택적 초고속 광학 스위칭을 위한 새로운 접근법을 제시한다.

가시광 및 적외선 파장으로 구성된 이중대역 광 신호는 야간 관측, 차량 안전, 생체영상화, 광통신 등 다양한 분야에서 상당한 잠재력을 지닌다. 그에 따라 가시-적외선 이중대역 신호를 위한 변조 기법, 특히 다양한 전기색소자(electrochromic devices)에 대해 많은 관심이 집중되어 왔다. 그러나 이러한 소자들은 종종 낮은 속도와 복잡한 구조를 가지므로, 현재의 초고속 온칩 나노포토닉스에 대한 요구를 충족시키기에는 부적합하다. 본 연구에서는 낮은 대칭성을 갖는 층상 나노물질인 셀렌화 탈륨(thallium selenide, TlSe)에서 초고속 이중대역 선택적 광 스위칭을 제시한다. 과도 흡수 현미경(transient absorption microscopy)은 가시광 및 근적외선(NIR) 영역에서 서로 구별되는 변조 대역을 직접적으로 관찰한다. 특히, 이들 대역은 직교하는 편광 의존성을 나타내어 편광 제어를 통해 가시광과 NIR 빛을 선택적으로 변조할 수 있게 한다. 이론적 분석에 따르면 가시광 및 NIR 영역의 변조 대역은 각각 전자와 정공의 수직으로 비등방적인 여기 상태 흡수에서 기인한다. 이는 전자와 정공에 대해 관측된 서로 다른 초고속 냉각 시간으로 뒷받침된다. 또한 변조는 효율적인 오제르 재결합(Auger recombination)으로 인해 피코초 스케일의 동역학을 보인다. 이러한 탁월한 특성들은 낮은 대칭성을 갖는 TlSe가 초고속 이중대역 나노포토닉스를 위한 새로운 재료로서 유망함을 시사한다. 더 나아가 본 연구는 유효 질량 의존적 냉각 및 다체 상호작용을 포함한 비등방성 캐리어 동역학에 대한 근본적인 통찰을 제공한다.

층상(層狀)의 준 1차원(nanormaterials) 나노재료는 강한 선형 이색성(linear dichroism)과 효과적인 빛-물질 상호작용을 보이며, 빛의 편광을 구동으로 하는 새로운 정보 장치에 대한 가능성을 제시한다. 특히 이들의 광학적 이방성 및 초고속 광응답은 편광 제어형 나노포토닉 스위치와 변조기의 구현을 가능하게 한다. 그러나 변조 메커니즘에 대한 이해가 충분하지 않고 소수의 재료에 대한 연구가 제한적이어서, 해당 기술은 여전히 상당한 추가 연구를 필요로 한다. 본 연구에서는 천이금속 삼칼코게나이드(trichalcogenide) 계열의 부상하는 준 1차원 재료인 TiS3 나노리본에서, 초고속 편광 기반 광 스위칭을 조사하기 위해 일시 흡수(TA) 현미경을 사용하였다. 소프로(picosecond) 이하의 아(亞)피코초(sub-picosecond) 영역에서의 강한 이방성 근적외선 변조가 관찰되었으며, 이는 탐침 펄스(probe pulse)의 편광이 나노리본의 축과 정렬될 때 가장 두드러지지만, 편광을 수직 방향으로 회전시키면 사라진다. 저자들은 이와 같은 탐침 펄스 편광에 대한 현저한 의존성을, 과열 캐리어(hot carrier)가 유도하는 이방성 간대(interband) 공명(anisotropic interband resonance)의 폭 넓어짐(broadening)으로 설명하며, 일시 흡수(TA) 선형상의 분석과 제일원리(first principles)로 계산한 광학적 전이(optical transitions)에 의해 뒷받침된다. 또한 펌핑 에너지를 조절함으로써 펌프(pump) 편광 의존적 강한 변조가 얻어지며, 이는 오직 편광만으로 제어되는 고도로 이방성의 올-광(all-optical) 스위칭을 가능하게 한다. 이러한 결과는 탐침-편광 및 펌프-편광 기반 변조에 관한 포괄적인 정보를 제공함과 동시에, 초고속 과열 캐리어 동역학을 통한 편광 의존 광응답의 더 깊은 물리적 이해를 제공한다.

층상 나노소재로서 면내 이방성을 갖는 물질은 외부 자극에 대해 방향에 따라 독특한 반응을 나타내며, 추가적인 자유도를 가진 새로운 소자 개발을 가능하게 한다. 특히, 이들의 이방성 광학적 특성은 빛의 편광에 의해 제어되는 초고속 나노포토닉 변조기를 구현하게 한다. 그러나 대부분의 물질에서 광학적 이방성이 불완전하기 때문에 높은 제어 가능성을 달성하는 데에는 여전히 어려움이 있다. 본 연구에서는 최근 새롭게 주목받고 있는 층상 나노소재인 텔루륨 펜타텔루라이드(zirconium pentatelluride, ZrTe 5 )에서 완전 이방성을 바탕으로 한 초고속 광 변조를 제시한다. 과도 흡수(TA) 현미경은 1.2–2.2 eV의 넓은 에너지 범위에서 이방성의 초고속 피코초 광 변조를 보여준다. 특히 1.62 eV의 특정 광자 에너지에서, 빛의 편광을 변경하는 것만으로 거의 1에 가까운 이방성 정도를 갖는 완전한 on/off 스위칭이 달성되며, 이는 ZrTe 5 가 편광 선택형 고속 광 변조기에 유망한 소재임을 시사한다. 전이 쌍극자 모멘트에 대한 이론적 분석은 이러한 급격한 이방성을 편광 의존성이 강한 여기 상태 흡수에 기인하는 것으로 설명한다. 또한 본 연구는 스캐닝 TA 현미경을 통해 방향 의존적인 광캐리어 수송을 직접 관찰한다. 이를 통해 광캐리어의 이방성 확산성, 이동도, 확산 길이를 산출하며, 이는 소자 설계에 필수적인 매개변수이다. 따라서 본 연구는 초고속 시간 척도에서 ZrTe 5 의 이방성 광학적 특성에 대한 포괄적인 이해를 제공한다.

저대칭(低對稱) 적층 물질은 편광 구동 나노포토닉스를 위한 유망한 플랫폼으로 부상하고 있다. 이들의 비평형 광응답, 특히 편광 의존성을 이해하는 것은 고성능 소자를 설계하는 데 필수일 뿐 아니라 새로운 비등방성 빛–물질 상호작용을 제공한다. 여기서는 초단 펄스 차등 전달(differential transmission, DT) 현미경을 이용하여 적층 황화 게르마늄(laysered germanium sulfide, GeS)에서 고유한 비등방성 광학 갭 이동을 제시한다. 펌프 여기 이후, 밴드갭 재정렬(bandgap renormalization)과 격자 가열은 광학 갭 전반의 적색 이동(redshift)을 유발한다. 그러나 탐침광이 결정의 아암체어(armchair, AC) 방향으로 편광된 경우, 이 적색 이동은 밴드 엣지에서의 캐리어 유도 상태 채움(state filling)에 의해 실질적으로 상쇄된다. 반면, 수직 지그재그(zigzag, ZZ) 편광에서는 전이가 밴드 엣지가 아니라 밴드-네스팅(band-nesting) 영역에서 주로 일어나기 때문에 적색 이동이 최소한으로만 상쇄된다. 그 결과 ZZ-편광에서의 광학 갭 적색 이동은 AC-편광에 비해 약 3배 더 크다. 또한 이러한 비등방성 적색 이동은 등방성 스펙트럼 폭 넓힘(isotropic spectral broadening)과 동적으로 경쟁하여 DT 스펙트럼에서 강한 딥(dip)을 형성하며, 이 딥은 시간이 지남에 따라 고에너지 쪽으로 상당히 이동한다. ZZ-편광에서는 약 80 meV의 이동이 관찰되는데, 이는 AC-편광에서의 이동에 비해 거의 3배에 해당한다. 이러한 결과는 저대칭 물질의 비등방성 비평형 동역학에 대한 새로운 통찰을 제공하며, 편광 구동 초고속 나노포토닉스에 대한 잠재력을 강조한다.

• YFeO3의 고주파 및 저주파 스핀파 모드는 스핀-궤도 토크(SOT)를 통해 전기적으로 결합되고 제어된다. 결합은 SOT가 증가할수록 더 강해지며, 주파수는 수십 기가헤르츠에서 서브 테라헤르츠까지 광범위하게 조절할 수 있다. • 스핀파는 임의의 3차원 편광을 갖는 스핀 전류를 주입할 때 이방성 제어를 보이며, 결정 축과 Dzyaloshinskii–Moriya(DM) 상호작용이 중요한 역할을 한다. • 더 강한 DM 상호작용은 자동-발진에 필요한 임계 전류 밀도를 감소시키는 것으로 밝혀졌으며, 이는 전기적으로 DM 상호작용을 조절함으로써 에너지 효율적인 제어가 가능할 수 있음을 시사한다. • SOT에 의한 주파수 조절은 외부 자기장에 의한 조절보다 4배 이상 효율적임이 입증되어, 빠르고 에너지 효율적인 응용에서의 장점을 강조한다. 우리는 양축 이방성 및 Dzyaloshinskii–Moriya 상호작용을 갖는 항동성(antiferromagnetic, AFM) 정방정계(orthoferrite)에서 스핀파에 대한 전기적 제어를 이론적으로 및 수치적으로 규명하였다. 정방정계(orthoferrites)에서는 경사(canted)된 AFM이 서로 구별되는 고주파 및 저주파 스핀파 대역을 갖는 분기된 스핀파 분산 관계를 나타낸다. 유효 결합(결합) 진자 모델을 도출함으로써, 두 스핀파 대역이 본질적으로 결합되어 있으며 강한 스핀-궤도 토크(SOT) 하에서 결합 강도가 현저히 향상됨을 보인다. 주파수 제어의 효율은 이방성과 DM 상호작용 에너지로 결정되는 유효 퍼텐셜 에너지에 대해 역비례하는 것으로 나타났다. 백금, 강자성체, 그리고 경사된 AFM으로 구성된 이종구조(heterostructure)를 이용하여, 3차원 스핀 편광을 갖는 스핀 전류를 통해 공진 및 전파 파 모드를 모두 포함하는 스핀파 대역의 이방성 제어를 시연하였다. 또한 구속된 기하(geometry)를 활용하여 수십 기가헤르츠에서 서브 테라헤르츠까지의 주파수 스펙트럼 영역 내에서 스핀파를 제어할 가능성을 탐색하였다. 본 연구 결과의 함의는 전기적으로 조절 가능한 테라헤르츠(THz) 파 소스를 개발할 잠재력을 시사하며, 이를 초고속·광대역·무선 통신 기술에 통합하는 데 도움이 될 수 있다.

인공 신경망은 현대 인공지능의 기반이지만, 모델 크기가 커짐에 따라 확장성, 에너지 소비, 하드웨어 효율성의 도전에 직면한다. 광자(photonic) 기반 접근은 빛의 병렬성 및 낮은 열적 부담을 활용함으로써 매력적인 대안을 제공하지만, 많은 구현은 여전히 복잡한 소자 제작이나 공학적으로 설계된 비선형성을 요구한다. 극한 학습 기계(extreme learning machines, ELMs)는 입력-은닉층 매핑을 고정하고 선형 출력층만 학습함으로써 이러한 패러다임을 단순화하여, 물리적 구현과의 호환성이 매우 높다. 여기서는 펨토초–피코초(초단위 시간범위) 스케일에서 본질적으로 동작하는 널리 채택된 펌프-프로브(pump–probe) 기법인 초고속 과도 흡수(transient absorption, TA) 분광에 기반한 광자 ELM(PELM) 프레임워크를 도입한다. 이 시스템에서는 입력을 여러 프로브 편광 채널을 통해 인코딩하며, 각 채널은 펌프-프로브 지연(pump–probe delay)으로 매개변수화된다. 그 결과로 얻어지는 TA 스펙트럼 응답은 픽셀화된 변조기나 나노제작 없이도 고차원 비선형 특성을 제공한다. 준-1차원(quasi-1D) ZrSe3 나노리본을 사용하여 비선형 회귀, 나선 분류, 이미지 인식에 걸친 과업의 다양성이 입증된다. 이 접근은 Iris 데이터셋에서 거의 완벽한 정확도를 달성하고, MNIST 필기체 숫자에서도 견고한 성능을 보이며, 물리적 연산을 위한 TA 기반 인코딩의 잠재력을 강조한다. 이러한 결과는 초고속 TA 분광을 실험적으로 접근 가능한 플랫폼으로 정립하고, 향후 초고속·에너지 효율적인 광자 학습 시스템을 위한 기반을 마련한다.