이 연구 주제는 물질의 에너지띠, 전자 밀도, 궤도 성질, 페르미면과 같은 미시적 전자구조를 제일원리 계산으로 정밀하게 해석하고, 이를 통해 복잡한 응집물질의 거시적 물성을 이해하는 데 초점을 둔다. 연구실은 특히 단순한 밴드 이론만으로 설명하기 어려운 강상관 전자계에 주목하며, 전자의 국소화와 비국소화가 경쟁하는 현상, 궤도 자유도와 스핀 자유도의 결합, 온도에 따른 전자 상태의 진화 등을 핵심 문제로 다룬다. 이러한 접근은 새로운 양자물질의 물리적 기원을 밝히고, 실험에서 관측되는 비정상적인 수송·광학·자기 특성을 해석하는 데 중요한 기반을 제공한다. 연구 방법론 측면에서는 밀도범함수이론(DFT)과 동적평균장이론(DMFT)의 결합이 핵심 축을 이룬다. 이를 통해 무거운 페르미온계, f-전자계, 전이금속 화합물, 철기반 초전도체 등에서 나타나는 다체 효과를 현실적인 결정구조와 연결하여 계산할 수 있다. 실제로 CeIrIn5와 같은 heavy fermion 계에서 온도에 따른 국소화-비국소화 전이, 광전도도 변화, 다중 하이브리드화 갭의 형성 등은 연구실이 강점을 가진 대표적인 문제들이다. 이 과정에서 CTQMC와 같은 impurity solver, 밴드 구조 해석, 광학 응답 계산이 통합적으로 활용된다. 이 연구의 의미는 단순히 특정 물질의 계산 결과를 제시하는 데 그치지 않고, 상관 전자계의 보편적인 작동 원리를 정립하는 데 있다. 전자 상관, 결정장 분할, 스핀-궤도 결합, 하이브리드화가 어떻게 경쟁하고 협력하는지를 이해하면, 초전도체·자성체·위상물질의 설계 원리를 보다 정교하게 제시할 수 있다. 나아가 이러한 이론적 기반은 차세대 양자소자, 저전력 전자소자, 고기능성 물질 개발의 예측 정확도를 높여 실험 중심의 탐색을 가속화하는 역할을 한다.

연구실의 핵심 분야 중 하나는 자성체와 초전도체, 그리고 위상학적 특성을 지닌 양자물질의 전자구조와 물성을 이론적으로 규명하는 것이다. 자성 상호작용, 자기이방성, 스핀 분극, 초전도 전이, 위상적 밴드 교차와 같은 현상은 모두 전자구조의 정교한 이해를 필요로 하며, 연구실은 이를 계산과 해석을 통해 연결한다. 특히 자성 질서와 스핀-궤도 결합이 결합된 물질에서 나타나는 비정상 홀 효과, Rashba 분열, 밴드 반전, 노달선 형성 등은 최근 양자소자 응용과 직결되는 중요한 연구 대상이다. 대표적으로 반데르발스 강자성 반금속에서 위상적 nodal line이 유도하는 큰 비정상 홀 전류, 조절 가능한 스핀 주입 및 검출, 저차원 자석물질의 상온 자성 예측 등은 이 연구 주제가 지향하는 방향을 잘 보여준다. 연구실은 전자구조 계산에 더해 베리 곡률, 자기 구조 안정성, 스핀 수송 특성, 압력 및 온도 효과를 함께 고려하여 물질의 양자물성을 다층적으로 분석한다. 이는 단순한 정적 계산이 아니라, 실제 실험 환경에서 관측되는 자성 전이, 수송 응답, 분광학적 특성을 설명하는 수준까지 확장된 접근이다. 이러한 연구는 스핀트로닉스, 양자정보, 저전력 메모리, 차세대 센서와 같은 응용 분야에서 직접적인 파급력을 가진다. 특히 2차원 및 반데르발스 계열 물질에서 자성과 위상성이 공존하는 경우, 기존 벌크 물질보다 더 유연한 소자 설계가 가능해진다. 따라서 연구실의 자성·초전도·위상물질 연구는 기초 양자물성 규명과 함께, 기능성 양자소재의 발굴 및 응용 플랫폼 구축이라는 두 목표를 동시에 추구하는 분야라고 볼 수 있다.

연구실은 전자구조 계산을 에너지 소재 개발로 확장하여, 열전재료, 촉매, 배터리 관련 소재, 영구자석 소재 등 실용적 파급력이 큰 물질군을 설계하고 예측하는 연구를 수행한다. 열전 성능은 제벡 계수, 전기전도도, 열전도도의 정교한 균형에서 결정되므로, 전자구조와 격자 동역학을 함께 고려한 계산이 필수적이다. 연구실은 에너지띠 공학, valley degeneracy 제어, 층상 혼합 구조 설계, 낮은 격자 열전도도 유도 메커니즘 해석을 통해 고성능 열전소재의 설계 원리를 제시해 왔다. Nature에 게재된 In4Se3-δ의 Peierls 왜곡 기반 고성능 열전 연구는 이러한 방향의 대표적 성과이며, 이후에도 MoS2, BiCuOQ, 층상 칼코게나이드, 유무기 복합 열전소자 등 다양한 계열로 연구가 확장되었다. 최근에는 반도체 핫스팟용 마이크로 고속 능동 냉각 소재 및 소자, 금속-공기 배터리용 단원자 합금 전기촉매, 비-네오디뮴 영구자석 소재와 같이 응용 밀도가 높은 분야로 이어지고 있다. 또한 제일원리 계산과 구조 예측 기법, 데이터 기반 대량 스크리닝, AI 모델을 결합하여 새로운 2차원 물질과 상온 자석물질을 탐색하는 연구도 활발히 진행된다. 이 연구의 가장 큰 특징은 계산 결과를 실제 소재 개발과 연결하는 번역 연구 성격에 있다. 물성 예측, 안정성 해석, 구조 탐색, 실험 검증을 잇는 체계를 통해 소재 개발 기간을 단축하고, 탄소중립·모빌리티·반도체 열관리와 같은 국가 전략 분야에 기여할 수 있다. 따라서 연구실의 에너지 소재 연구는 순수 이론에 머무르지 않고, 고속 가상시험과 데이터 플랫폼을 활용한 차세대 기능성 소재 발굴로 확장되는 실용 중심의 계산물질과학이라고 정리할 수 있다.