시간에 주기적으로 구동되는 환경에서 소수층 검은인(few-layer black phosphorus, fBP)에서의 플로케 공학을 이론적으로 탐구한다. 원형 편광광이 디랙 노드(Dirac nodes)에서 비자명한 위상 상태를 유도할 수 있다는 점에 동기를 받아, fBP의 디랙 반금속(Dirac semimetal) 상에서 광유도된 dc 홀 효과(photoinduced dc Hall effect)의 출현을 조사한다. 저에너지 연속체 모델로부터 출발하여 유효 플로케 해밀토니언을 도출하고, 베리 곡률(Berry curvature)을 해석적으로 계산함으로써 위상학적 에너지 갭(topological gap)의 개방을 입증한다. 또한 수직 전기장 하에서 플로케 밴드 구조 및 dc 홀 전도도(dc Hall conductivity)를 계산하기 위해, 자체 일관적 하트리(Hartree) 방법을 포함하는 격자 모델 계산을 수행한다. 본 연구 결과는 fBP에서의 dc 홀 전류가 주기적 구동 전기장과 정전기적 게이팅(electrostatic gating)을 통해 효과적으로 조절될 수 있음을 보여준다.

다층 구조에서 층 간 결합은 고유한 플라즈몬 모드를 유발하지만, 층 수가 증가함에 따라 복잡도가 커져 일반적으로는 이층(bilayer)에 대해서만 해석적 해가 제공된다. 본 연구에서는 층 간 터널링(interlayer tunneling)의 영향을 포함하여 다층 구조에서의 플라즈몬을 조사한다. 다층 시스템에 대해 쿨롱 고유벡터(Coulomb eigenvector) 기저를 도입하면, 이는 Kac-Murdock-Szegő 토플리츠 행렬(Kac-Murdock-Szegő Toeplitz matrices)로 정확히 해를 구할 수 있으며, 이를 바탕으로 층 간 터널링이 있는 경우와 없는 경우 모두에서 장파장(long-wavelength) 플라즈몬 분산식을 해석적으로 도출한다. N층 시스템에서 층 간 터널링이 없는 경우, 위상 반대(out-of-phase) 음향 또는 전하 중성 플라즈몬 모드가 선형 분산을 가지는 것으로 나타나며(${\omega }_{\alpha }\propto q/\sqrt{1-\cos \left(\frac{\alpha -1}{N}\pi \right)}$ for $\alpha =2,3,\cdots ,N$), 반면 위상 일치(in-phase) 고전적(classical) 플라즈몬 모드는 통상적인 분산(${\omega }_1\propto \sqrt{q}$)을 보인다. 층 간 터널링이 존재할 때에는, 위상 반대 모드들이 특정한 인터밴드 전이(interband transitions)에 의해 지배되는 플라즈몬 갭을 형성하는 반면, 고전적 모드는 영향을 받지 않는다. 이러한 결과는 일반적인 결합 층 구조 전반에 넓게 적용될 수 있다.

가벼운 암흑물질 질량 레짐(light dark matter mass regime)은 더 높은 질량 범위에서 어떠한 검출 신호도 관측되지 않았기 때문에 직접 검출 실험의 다음 전개로 부상해 왔다. 본 논문에서는 서브-MeV 암흑물질을 검출하기 위한 그래핀 이중층(bilayer stack) 새로운 검출기 물질을 제안한다. 전압으로 조절 가능한 저에너지(sub-eV) 전자 밴드갭은 가벼운 암흑물질 탐색 실험의 검출기 물질로서 탁월한 선택이다. 우리는 무작위 위상 근사(random phase approximation)를 사용해 그 유전율(dielectric function)을 계산하고, 서브-MeV 암흑물질-전자 산란 및 서브-eV 암흑물질 흡수에 대한 예상 민감도를 추정한다. 이중층 그래핀 암흑물질 검출기는 초전도체와 같은 다른 후보 표적 물질들과 비교해 경쟁력 있는 민감도를 가질 수 있으나, 이 질량 레짐에서는 조절 가능한 문턱 에너지(threshold energy)를 가진다는 점을 보인다. 또한 이중층 그래핀에서의 암흑물질 산란률은 지구의 자전에 의해 나타나는 일별(daily) 변조로도 특징지어지며, 이는 향후 실험에서 배경 신호를 완화하는 데 도움이 될 수 있다. 아울러 우리는 검출기 설계 개념을 제시하고, 향후 실험을 구축하기 위해 따라갈 수 있는 잡음(noise) 추정치를 제공한다. 미국물리학회(American Physical Society)가 2024년에 출판

이종적 적층층(heterobilayers)에서, 게이트 조절된 소자에서 모트 밀도(Mott density) 이상의 펨토초 광학 여기(femtosecond optical excitation)는 결맞는 포논(coherent phonons)의 강성(stiffening) 및 연화(softening) 진폭이 최대 10%까지 변화하는 양상으로 나타난다. 버킹엄(Buckingham) 에너지와 하트리(Hartree) 에너지를 모두 포함하는 이론적 모델을 제시하여, 광 여기로 생성된 전하 분리 캐리어(charge-separated carriers)가 포논 동역학에 미치는 영향을 설명한다. 따라서 본 연구는 모아레(moiré) 시스템에서 결맞는 포논으로까지 광전자 공학을 확장하는 데 필요한 통찰을 제공한다.

시간에 주기적으로 구동되는 환경에서 소수층 검은인(few-layer black phosphorus, fBP)에서의 플로케 공학을 이론적으로 탐구한다. 원형 편광광이 디랙 노드(Dirac nodes)에서 비자명한 위상 상태를 유도할 수 있다는 점에 동기를 받아, fBP의 디랙 반금속(Dirac semimetal) 상에서 광유도된 dc 홀 효과(photoinduced dc Hall effect)의 출현을 조사한다. 저에너지 연속체 모델로부터 출발하여 유효 플로케 해밀토니언을 도출하고, 베리 곡률(Berry curvature)을 해석적으로 계산함으로써 위상학적 에너지 갭(topological gap)의 개방을 입증한다. 또한 수직 전기장 하에서 플로케 밴드 구조 및 dc 홀 전도도(dc Hall conductivity)를 계산하기 위해, 자체 일관적 하트리(Hartree) 방법을 포함하는 격자 모델 계산을 수행한다. 본 연구 결과는 fBP에서의 dc 홀 전류가 주기적 구동 전기장과 정전기적 게이팅(electrostatic gating)을 통해 효과적으로 조절될 수 있음을 보여준다.

다층 구조에서 층 간 결합은 고유한 플라즈몬 모드를 유발하지만, 층 수가 증가함에 따라 복잡도가 커져 일반적으로는 이층(bilayer)에 대해서만 해석적 해가 제공된다. 본 연구에서는 층 간 터널링(interlayer tunneling)의 영향을 포함하여 다층 구조에서의 플라즈몬을 조사한다. 다층 시스템에 대해 쿨롱 고유벡터(Coulomb eigenvector) 기저를 도입하면, 이는 Kac-Murdock-Szegő 토플리츠 행렬(Kac-Murdock-Szegő Toeplitz matrices)로 정확히 해를 구할 수 있으며, 이를 바탕으로 층 간 터널링이 있는 경우와 없는 경우 모두에서 장파장(long-wavelength) 플라즈몬 분산식을 해석적으로 도출한다. N층 시스템에서 층 간 터널링이 없는 경우, 위상 반대(out-of-phase) 음향 또는 전하 중성 플라즈몬 모드가 선형 분산을 가지는 것으로 나타나며(${\omega }_{\alpha }\propto q/\sqrt{1-\cos \left(\frac{\alpha -1}{N}\pi \right)}$ for $\alpha =2,3,\cdots ,N$), 반면 위상 일치(in-phase) 고전적(classical) 플라즈몬 모드는 통상적인 분산(${\omega }_1\propto \sqrt{q}$)을 보인다. 층 간 터널링이 존재할 때에는, 위상 반대 모드들이 특정한 인터밴드 전이(interband transitions)에 의해 지배되는 플라즈몬 갭을 형성하는 반면, 고전적 모드는 영향을 받지 않는다. 이러한 결과는 일반적인 결합 층 구조 전반에 넓게 적용될 수 있다.

가벼운 암흑물질 질량 레짐(light dark matter mass regime)은 더 높은 질량 범위에서 어떠한 검출 신호도 관측되지 않았기 때문에 직접 검출 실험의 다음 전개로 부상해 왔다. 본 논문에서는 서브-MeV 암흑물질을 검출하기 위한 그래핀 이중층(bilayer stack) 새로운 검출기 물질을 제안한다. 전압으로 조절 가능한 저에너지(sub-eV) 전자 밴드갭은 가벼운 암흑물질 탐색 실험의 검출기 물질로서 탁월한 선택이다. 우리는 무작위 위상 근사(random phase approximation)를 사용해 그 유전율(dielectric function)을 계산하고, 서브-MeV 암흑물질-전자 산란 및 서브-eV 암흑물질 흡수에 대한 예상 민감도를 추정한다. 이중층 그래핀 암흑물질 검출기는 초전도체와 같은 다른 후보 표적 물질들과 비교해 경쟁력 있는 민감도를 가질 수 있으나, 이 질량 레짐에서는 조절 가능한 문턱 에너지(threshold energy)를 가진다는 점을 보인다. 또한 이중층 그래핀에서의 암흑물질 산란률은 지구의 자전에 의해 나타나는 일별(daily) 변조로도 특징지어지며, 이는 향후 실험에서 배경 신호를 완화하는 데 도움이 될 수 있다. 아울러 우리는 검출기 설계 개념을 제시하고, 향후 실험을 구축하기 위해 따라갈 수 있는 잡음(noise) 추정치를 제공한다. 미국물리학회(American Physical Society)가 2024년에 출판

이종적 적층층(heterobilayers)에서, 게이트 조절된 소자에서 모트 밀도(Mott density) 이상의 펨토초 광학 여기(femtosecond optical excitation)는 결맞는 포논(coherent phonons)의 강성(stiffening) 및 연화(softening) 진폭이 최대 10%까지 변화하는 양상으로 나타난다. 버킹엄(Buckingham) 에너지와 하트리(Hartree) 에너지를 모두 포함하는 이론적 모델을 제시하여, 광 여기로 생성된 전하 분리 캐리어(charge-separated carriers)가 포논 동역학에 미치는 영향을 설명한다. 따라서 본 연구는 모아레(moiré) 시스템에서 결맞는 포논으로까지 광전자 공학을 확장하는 데 필요한 통찰을 제공한다.

Weyl 노드 인근의 자명한(trivial) 밴드가 미치는 효과를 포함하여, 볼츠만 자기수송 이론을 사용해 자화 방향을 따라 Weyl 반금속의 종방향 자기자기전도도(LMC)를 평가하고, 자기장, 페르미 에너지, 온도에 대한 의존성을 연구한다. 약한 노드-사이(internode) 및 노드-자명한 밴드(node-trivial band) 산란의 경우, LMC는 자기장에 대해 이차적으로 비례하며, 페르미 에너지는 고밀도에서 노드-사이 산란에 의해 네 번째 거듭제곱에 반비례하고, 저밀도에서는 Weyl 노드와 자명한 밴드 사이의 산란에 의해 페르미 에너지의 제곱에 반비례함을 확인하였다. 노드-사이 및 노드-자명한 밴드 산란이 강한 경우에는, 위상공간 부피 원소와 궤도 자기 모멘트에 의해 유도되는 자기장 구동 이방성(Anisotropy)을 무시할 수 없다. 그 결과 LMC는 약한 노드-사이 및 노드-자명한 밴드 산란 극한에서의 경향과는 현저히 다른 양상을 보인다. 마지막으로 강한 비탄성 산란 극한에서 LMC의 온도의존성을 계산하고, 저온 및 고온에서 각각 점근적 거동을 구하여, 이러한 온도의존성이 자명한 밴드의 존재에 의해 크게 영향을 받음을 입증한다.

축 분해 자성(자기) 광학 측정(축방향 분해 자화 광학 측정)을 통해 단일 결절 고리(노달 링) 반금속 SrAs3의 준입자를 조사한다. ϵ∼sqrt[B], ϵ∼B^{2/3}, 그리고 ϵ∼B의 세 가지 유형의 란다우 준위 스케일링을 관측하며, 이는 각각 디랙, 세미-디랙, 그리고 고전적 페르미온에 해당한다. 이론적 분석을 통해, 결절 고리 내에 존재하는 이 세 유형의 페르미온이 서로 다른 기원을 갖는다는 점을 규명한다. 특히, 세미-디랙 페르미온—다양한 독특한 양자 현상을 유발할 수 있는 새로운 유형의 페르미온—은 결절 고리의 끝점에서 나타나는데, 그곳에서는 에너지 밴드가 한 방향으로는 선형으로, 서로 수직인 방향으로는 이차적으로 분산된다. 이러한 특징은 결절 점 또는 결절 선 구조에서는 구현될 수 없다. 결절 고리가 세미-디랙 페르미온을 포함하여 동시에 여러 유형의 페르미온을 수용할 수 있다는 점은, 이를 위상 준금속(topological semimetals)에 대한 이해를 확장하는 데 유용한 플랫폼으로 정립한다.

축 해상도 자장-광학 측정(axis-resolved magneto-optical measurements)을 통해 단일 결절 고리(노달 링) 준금속 SrAs${}_3$의 준입자(quasiparticles)를 조사한다. 에너지(varepsilon)가 varepsilon sim \sqrt{B}, varepsilon sim B^{2/3}, varepsilon sim B로 스케일링하는 세 가지 유형의 랜다우 준위(Landau level)를 관측하며, 이는 각각 디랙(Dirac) 준입자, 반-디랙(semi-Dirac) 준입자, 그리고 고전적(classical) 페르미온에 대응한다. 이론적 분석을 통해 결절 고리(nodal ring) 안에 공존하는 이 세 유형의 페르미온이 서로 다른 기원을 갖는다는 점을 규명한다. 특히, 반-디랙 페르미온—다양한 독특한 양자 현상을 유발할 수 있는 새로운 유형의 페르미온—은 결절 고리의 끝점(endpoints)에서 나타나는데, 이때 에너지 밴드는 한 방향으로는 선형으로 분산되고 다른 방향으로는 이차적으로 분산된다. 이러한 특성은 결절 점(nodal point)이나 결절 선(nodal line) 구조에서는 구현될 수 없는 것이다. 결절 고리가 반-디랙 페르미온을 포함한 여러 유형의 페르미온을 동시에 수용할 수 있다는 점은, 결절 고리를 위상 준금속(topological semimetals)에 대한 이해를 확장하기 위한 가치 있는 플랫폼으로 확립한다.

초고속 펌프-프로브 분광법을 사용하여 호흡(배지) 포논(breathing phonons)과 광여기 캐리어(photoexcited carriers) 간의 상호작용을 조사하였다. 우리는 쿨롬 결합 전자-정공 상호작용에 의해 유도되는 펌프 플루언스(pump fluence)와 게이트 전압(gate-voltage) 제어를 통해 조절 가능한 호흡 주기(breathing periods) 및 진폭(amplitude)을 확인하였다.

꼬인 이중층 그래핀(TBG)과 달리, 교대-꼬인 사중층 그래핀(ATTG)의 전자 구조는 층 사이의 미끄러짐에 따라 변한다. 여기서 저자들은 이 시스템을 서로 수직으로 적층된 동일한 꼬임 각도의 TBG 두 층으로 모델링한다. 특히 세 가지 미끄러짐 기하(AA, AB, SP)가 계곡(밸리) 체른 수를 포함한 전자 및 광학적 특성에 미치는 영향을 구체적으로 탐구한다. 광전도도(optical conductivity)와 자체일관 하트리(Hartree) 밴드 구조의 결과는 다양한 미끄러짐 구성의 ATTG에 대한 더 깊은 통찰을 제공하며, 잠재적인 실험적 지문을 제시한다.