우리 연구실은 꼬인 이차원 소재, 특히 트위스트된 이중층 그래핀과 다양한 무아레 초격자 구조에서 나타나는 독특한 전자 구조와 상호작용 현상을 이론적으로 탐구합니다. 무아레 패턴은 두 개 이상의 이차원 소재가 미세한 각도로 적층될 때 나타나는 주기적 초격자 구조로, 전자 밴드 구조에 극적인 변화를 유도합니다. 이러한 구조에서는 플랫 밴드(flat band)가 형성되어 전자 간의 상호작용이 크게 증폭되며, 이는 새로운 상전이와 양자 상의 출현으로 이어집니다. 특히, 트위스트된 이중층 그래핀에서는 '매직 앵글'에서 플랫 밴드가 형성되어 상관 절연체, 비정상적 초전도 현상, 위상적 양자 홀 상태 등 다양한 상관된 양자 현상이 관찰됩니다. 본 연구실은 각종 이론적 모델과 고성능 계산 방법을 활용하여 이러한 현상의 근본적인 원리를 규명하고, 실험 결과와의 정량적 비교를 통해 새로운 물리적 메커니즘을 제시합니다. 나아가, 무아레 초격자에서의 전자 구조 조절, 밴드갭 엔지니어링, 위상적 특성 및 전기장/압력/변형에 따른 동적 조절 가능성 등 응용 측면에서도 활발한 연구를 진행하고 있습니다. 이를 통해 차세대 전자소자, 양자 시뮬레이터, 위상적 소자 등 혁신적 기술 개발에 기여하고자 합니다.

이차원 자성체는 최근 나노과학 및 스핀트로닉스 분야에서 큰 주목을 받고 있는 연구 주제입니다. 본 연구실은 자성 금속 칼코제나이드, 크롬/망간계 초박막 등 다양한 2차원 자성체의 자기적 특성과 그 제어 방법을 이론적으로 탐구합니다. 특히, 박막 자성체의 두께가 얇아질수록 외부 전기장, 게이트 전압, 변형 등 외부 인자에 의해 자기질서가 민감하게 조절될 수 있음을 밝혀내고, 이를 바탕으로 새로운 자성 물질 후보군을 예측합니다. 장효과 트랜지스터(FET) 구조에서 이차원 자성체의 자기질서와 전기장 간의 상호작용을 분석하여, 전압을 통한 자성 제어 기능의 원리와 한계를 규명합니다. 이와 함께, 자성체의 응용 가능성(고밀도 데이터 저장, MEMS, 스핀트로닉스 소자 등)과 관련된 물리적 현상(자화 상태의 전환, 자기 이방성 조절 등)을 심도 있게 연구합니다. 또한, 이차원 자성체와 무아레 초격자, 꼬인 이중층 그래핀 등과의 복합 구조에서 나타나는 새로운 스핀 질서, 위상적 자성 상태, 스핀-궤도 결합 효과 등 복합적 상호작용을 이론적으로 해석하고, 실험적 검증을 위한 예측을 제시합니다. 이를 통해 차세대 저전력 스핀 소자 및 양자 정보 처리 기술의 기반을 마련하고자 합니다.

본 연구실은 무아레 초격자 구조에서 나타나는 엑시톤-폴라리톤의 물리적 특성과 이를 활용한 양자 시뮬레이션 연구도 활발히 수행하고 있습니다. 트위스트된 육방정계 붕소질화물(hBN)이나 전이금속 칼코게나이드 이종접합체 등에서 형성되는 무아레 패턴은 엑시톤의 에너지 구조와 상호작용을 변화시켜, 새로운 광학적 현상과 집단적 양자 상태를 유도합니다. 특히, 무아레 패턴이 인접한 단일층 소재에 원격적으로 인쇄(imprinting)되어 엑시톤의 성질을 제어할 수 있음을 실험 및 이론적으로 규명하였으며, 이를 통해 강한 광-물질 상호작용, 폴라리톤 응집, 위상적 광학 상태 등 다양한 응용 가능성을 제시합니다. 또한, 무아레 엑시톤-폴라리톤 시스템을 기반으로 한 양자 시뮬레이션 플랫폼 개발에도 주력하고 있습니다. 이러한 연구는 차세대 광전자 소자, 밸리트로닉스, 위상 광학 소자, 양자 정보 처리 등 다양한 분야에 파급 효과를 미칠 것으로 기대되며, 이론적 모델링과 수치 시뮬레이션을 통해 실험적 설계와 해석에 중요한 기여를 하고 있습니다.