김희재 연구실의 핵심 축은 응집물질에서 일어나는 매우 빠른 전자적·격자적 현상을 초고속 및 다차원 분광학으로 정밀하게 계측하는 것이다. 이 연구는 빛으로 물질을 여기한 직후 펨토초에서 피코초 시간척도에서 전하, 격자, 결맞음이 어떻게 진화하는지를 직접 추적함으로써, 물질의 거시적 성질을 결정하는 미시적 상호작용을 밝히는 데 목적이 있다. 특히 단순한 스펙트럼 측정을 넘어 시간, 주파수, 모드 선택성을 동시에 확보하는 방식으로 복잡한 상호작용을 분리해 해석하는 점이 특징이다. 연구실은 2차원 분광법, 적외선 및 테라헤르츠 분광, 광여기 후 응답 측정 등 다양한 비선형 분광 기법을 활용하여 응집물질의 전자 구조와 진동 모드 사이의 결합을 해석한다. 이러한 방법론은 기존 선형 분광으로는 구분하기 어려운 결합 경로, 에너지 전달 채널, 비평형 상태의 형성과 소멸 과정을 분해해 보여준다. 최근에는 특정 포논 모드와 전자 에너지에 따른 결합 강도를 직접 추출할 수 있는 새로운 2차원 전자-포논 분광 접근을 통해, 물질 내 상호작용의 비국소성과 모드 의존성을 정량화하는 방향으로 연구가 확장되고 있다. 이 연구는 초전도, 광전변환, 비평형 제어, 차세대 양자물질 이해에 모두 중요한 기반을 제공한다. 응집물질의 초고속 반응을 정확히 이해하면, 외부 광장이나 공진 구조를 이용해 물성 자체를 능동적으로 조절하는 전략으로 이어질 수 있다. 따라서 본 연구실의 분광학 연구는 단순한 분석 기술 개발을 넘어, 새로운 물리 현상을 발견하고 기능성 물질 설계 원리를 제시하는 기초과학적 플랫폼으로 작동한다.

전자-포논 커플링은 응집물질 물리학에서 전기전도, 초전도, 광응답, 에너지 이완과 같은 핵심 현상을 지배하는 기본 상호작용이다. 김희재 연구실은 이 상호작용을 평균적 효과로만 다루지 않고, 어떤 포논 모드가 어떤 전자 상태와 얼마나 강하게 결합하는지를 분광학적으로 분해해 이해하는 데 초점을 둔다. 특히 구리 산화물 고온 초전도체와 같은 복잡계 물질에서는 전자-포논 상호작용의 정확한 역할이 여전히 논쟁적이기 때문에, 이를 정밀하게 측정할 수 있는 원천 기술 개발이 매우 중요하다. 연구실의 최근 연구는 2차원 전자-포논 커플링 분광법을 통해 국소적 홀스타인형 결합과 비국소적 SSH형 결합의 특징을 구분하고, 개별 포논 모드별 결합 세기와 에너지 의존성을 직접 추출하는 방향으로 전개되고 있다. 이는 기존의 간접 추정 방식보다 훨씬 높은 해상도로 상호작용의 실체를 보여주며, 온도 의존성이나 결정 방향에 따른 이방성까지 분석할 수 있게 한다. 또한 이러한 방법은 단순한 모델 검증을 넘어, 물질의 비평형 상태에서 어떤 상호작용이 동역학을 주도하는지 밝혀내는 데 강력한 도구가 된다. 이 연구의 파급효과는 매우 크다. 고온 초전도체의 메커니즘 규명은 응집물질 물리학의 대표적 난제 중 하나이며, 전자-포논 커플링의 역할을 명확히 이해하면 새로운 초전도체 탐색과 설계에 실질적 단서를 제공할 수 있다. 더 나아가 강한 상호작용을 받는 양자물질의 초고속 제어, 광유도 상전이, 기능성 전자소자 구현으로도 연결될 수 있어, 기초 물리와 응용 물질과학을 동시에 견인하는 연구 주제로 평가된다.

김희재 연구실은 초고속 분광학을 이용해 페로브스카이트와 같은 광기능성 물질의 광전 특성, 격자 진동, 열화 메커니즘을 정밀하게 분석한다. 페로브스카이트는 태양전지와 광전자 소자에서 높은 잠재력을 보이지만, 빛·산소·열·구조적 불안정성에 민감하다는 한계를 가진다. 연구실은 이러한 재료의 순간적 광응답과 장기 안정성 문제를 동시에 다루며, 성능 향상과 신뢰성 확보를 위한 물리적 원인을 해명하고자 한다. 구체적으로는 포논 공진 공동과 결합된 반도체성 페로브스카이트의 전기광학 응답을 측정하여, 빛-물질-격자 상호작용이 광전도도와 광여기 상태에 어떤 영향을 주는지 분석한다. 또한 2차원 납 할라이드 페로브스카이트의 경우 대기 노출과 산소 존재하에서 광열화가 어떻게 촉발되는지를 포토루미네선스, 적외선, 원소 분석 등과 결합해 규명한다. 이러한 접근은 단순히 성능 수치를 비교하는 수준을 넘어서, 광여기 상태에서 생성되는 반응성 종과 구조 변화가 재료 열화로 이어지는 인과 관계를 보여준다는 점에서 의미가 크다. 이 연구는 고효율·고안정성 광전자 소자를 구현하기 위한 핵심 지식을 제공한다. 공동-포논 결합을 활용한 응답 증대는 광스위치나 주파수 제어형 소자로의 확장 가능성을 열어주며, 산소 차단 및 표면 패시베이션 전략은 실제 소자의 수명 개선으로 이어질 수 있다. 따라서 본 연구실의 페로브스카이트 연구는 응집물질 분광학의 정밀 분석 능력을 재료 안정성 및 소자 물성 제어라는 실질적 문제 해결에 연결하는 중요한 연구 방향이다.