본 연구실은 양자 소재의 본질적 특성을 규명하고 새로운 물성을 탐구하기 위해 고품질 단결정 및 박막 성장 기술을 중점적으로 연구하고 있습니다. 단결정 성장은 재료의 결정 구조와 결함을 최소화하여, 전자, 자성, 광학 등 다양한 물성의 정밀한 측정과 해석을 가능하게 합니다. 특히, Czochralski 방법, Tetra-arc Czochralski 방법, 박막 성장(펄스 레이저 증착 등)과 같은 첨단 성장 장비와 공정을 활용하여, 기존에 연구가 어려웠던 복잡계 산화물, 전이금속 화합물, 델라포사이트 등 다양한 양자 소재의 대형 단결정 및 고품질 박막을 성공적으로 합성하고 있습니다. 이러한 성장 기술은 양자 얽힘, 위상적 특성, 강상관계 등 양자 소재의 근본적인 현상을 실험적으로 검증하는 데 필수적입니다. 예를 들어, 박막 및 단결정의 크기와 품질이 향상됨에 따라, 기존 실험 장비의 감도를 뛰어넘는 신호를 확보할 수 있어, 미세한 상전이, 새로운 전자상태, 자성상태 등을 정밀하게 관찰할 수 있습니다. 또한, 성장 과정에서의 결정 대칭성 제어, 이종구조 설계, 도핑 및 응력 인가 등 다양한 인자 조절을 통해 새로운 물성의 발현과 제어가 가능해집니다. 최근에는 머신러닝 기반의 성장 조건 최적화, 베이지안 최적화, 설명 가능한 인공지능(Explainable AI) 기법을 도입하여, 복잡한 성장 파라미터 공간에서 최적의 조건을 빠르게 탐색하고, 성장 재현성과 효율성을 극대화하고 있습니다. 이러한 융합적 접근은 차세대 양자 소재 개발과 실용화에 중요한 역할을 하며, 국내외 다양한 연구기관 및 산업체와의 협력 연구도 활발히 이루어지고 있습니다.

연구실은 저온, 고온, 고압, 고자기장, 고전압 등 극한 조건에서 양자 소재의 전기적, 열적, 자기적, 광학적 물성을 정밀하게 측정하고 분석하는 연구를 수행하고 있습니다. 극한 환경에서의 물성 측정은 기존 상온·상압 조건에서 관찰할 수 없는 새로운 상전이, 위상적 현상, 양자 얽힘, 스핀 액체, 비정상 홀 효과 등 다양한 양자 현상을 규명하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 예를 들어, 고자기장 하에서의 초전도체 상전이, 압력에 따른 자성 및 전도 특성 변화, 저온에서의 스핀 동역학 및 열용량 측정 등은 양자 소재의 근본적인 상호작용과 새로운 양자상태(예: 키타예프 스핀 액체, 위상 절연체, 위상 반금속 등)의 존재를 실험적으로 확인하는 데 필수적입니다. 본 연구실은 토크 마그네토메트리, 핵자기공명(NMR), 광학 분광, 열전도 및 전기전도 측정 등 다양한 첨단 측정 장비와 기법을 보유하고 있으며, 자체 개발한 과도 열 유속법 등 혁신적인 측정 방법도 도입하여 연구의 정밀도와 신뢰성을 높이고 있습니다. 이러한 극한 조건 연구는 이종구조, 박막, 단결정 등 다양한 형태의 양자 소재에서 나타나는 새로운 양자 현상과 상전이 메커니즘을 규명하는 데 기여하고 있습니다. 또한, 실험 결과를 바탕으로 이론적 모델링과 시뮬레이션을 병행하여, 실험-이론 융합 연구를 통해 양자 소재의 미래 응용 가능성(양자 컴퓨팅, 스핀트로닉스, 차세대 전자소자 등)을 제시하고 있습니다.

본 연구실은 다양한 양자 소재의 이종구조(heterostructure) 설계와 위상 전자구조 탐구를 통해 새로운 물성과 기능을 창출하는 연구를 선도하고 있습니다. 이종구조는 서로 다른 소재를 원자 단위로 정밀하게 적층하여, 개별 소재에서는 나타나지 않는 새로운 상호작용과 양자 현상을 유도할 수 있습니다. 예를 들어, 산화물 기반 이종구조, 델라포사이트 계열, 허니컴 구조 등에서 나타나는 자성, 초전도, 위상적 특성, 스핀-궤도 결합 효과 등은 차세대 양자 소자 개발의 핵심이 됩니다. 특히, 이종구조 내에서의 계면 효과, 결정 대칭성 제어, 응력 및 도핑 조절, 원자 배치 제어 등은 전자 밴드 구조와 위상적 특성(예: 디락/와일 페르미온, 위상 절연체, 베리 위상 등)에 직접적인 영향을 미칩니다. 본 연구실은 실험적으로 성장된 이종구조의 전자구조를 각종 분광(ARPES, 광학 분광 등) 및 수송 측정, 이론적 계산(DFT, 스핀 해밀토니안 등)과 연계하여, 새로운 위상상태와 양자 현상의 실현 가능성을 체계적으로 탐구하고 있습니다. 이러한 연구는 키타예프 스핀 액체, 프러스트레이션 자성, 비정상 홀 효과, 양자 임계성 등 현대 양자물리의 핵심 난제 해결에 기여하고 있으며, 실용적 측면에서는 양자 메모리, 스핀트로닉스, 고효율 광전소자 등 미래 정보기술의 기반이 되는 혁신적 소재 및 소자 개발로 이어지고 있습니다.