TCMP 연구실은 이론 응집물질물리학 분야에서 세계적인 경쟁력을 갖춘 연구실로, 초고속 광-물질 상호작용, 비평형 양자 동역학, 위상 물질 및 강상관계 시스템 등 첨단 물리 현상을 제일 원리 기반의 이론 및 계산 방법론을 통해 심층적으로 연구하고 있습니다. 본 연구실은 펨토초 및 아토초 시간 척도에서 일어나는 전자 및 격자 동역학, 빛에 의해 유도되는 위상 전이, 초전도 현상 등 다양한 비평형 물리 현상을 실시간 시뮬레이션과 이론적 해석을 통해 규명하고 있습니다.
특히, 실시간 시간-의존 밀도 범함수 이론(rt-TDDFT), 비평형 그린 함수, 정확한 대각화 등 첨단 계산 기법을 자체적으로 개발 및 적용하여, 실험적으로 관측하기 어려운 초고속 현상과 새로운 위상 상태를 이론적으로 예측하고 있습니다. 또한, 광공동(cavity) 내에서의 진공 광자장과 물질의 결합을 통한 초전도 현상 향상, 위상 물질의 동적 제어, 강상관계 시스템에서의 새로운 위상 상태 실현 등 혁신적인 연구를 선도하고 있습니다.
연구실은 다양한 국제 공동연구 및 국내외 연구기관과의 협업을 통해, 실험-이론 융합 연구를 활발히 진행하고 있습니다. 최근에는 테라헤르츠(THz) 광원, 강한 펄스 레이저를 활용한 비평형 위상상태 실시간 제어, 광유도 초전도 및 페로일렉트릭 상전이 등 세계적으로 주목받는 연구 성과를 다수 발표하였습니다.
아울러, 밀도 범함수 이론(DFT), 시간-의존 밀도 범함수 이론(TDDFT), 비평형 그린 함수 등 다양한 제일 원리 기반 계산 패키지 및 방법론을 자체적으로 개발하여, 국내외 연구자들과의 협업, 오픈소스 소프트웨어 배포, 교육 및 연구 인프라 구축 등 다양한 방식으로 활용하고 있습니다. 이를 통해 차세대 물리학 연구의 기반을 마련하고, 신진 연구자 양성 및 국내 계산물리 분야의 경쟁력 강화에 기여하고 있습니다.
TCMP 연구실의 연구는 미래 양자정보, 초전도 소자, 에너지 효율적 전자소자 개발 등 첨단 기술의 기반이 되는 핵심 원천기술을 제공하며, 새로운 물질 설계 및 기능성 소재 개발, 양자기술 및 신소재 과학의 발전에 중요한 역할을 하고 있습니다.
우리 연구실은 초고속 레이저와 물질 간의 상호작용을 기반으로 한 비평형 동역학 연구에 중점을 두고 있습니다. 특히, 펨토초 및 아토초 시간 척도에서 일어나는 전자 및 격자 동역학을 제일 원리 계산(Ab initio) 방법으로 해석하여, 물질 내에서 빛에 의해 유도되는 다양한 상전이 현상과 전자 구조 변화를 규명합니다. 이를 위해 실시간 시간-의존 밀도 범함수 이론(rt-TDDFT)과 같은 첨단 계산 기법을 활용하여, 실험적으로 관측하기 어려운 초고속 현상을 이론적으로 예측하고 해석합니다.
초고속 광-물질 상호작용 연구는 전통적인 평형 상태의 물질 물성 연구를 넘어, 비평형 상태에서 나타나는 새로운 물리적 현상과 상전이, 예를 들어 광유도 초전도, 위상 전이, 강상관계 시스템에서의 새로운 위상 상태 등 다양한 현상을 탐구합니다. 최근에는 테라헤르츠(THz) 광원이나 강한 펄스 레이저를 이용해 페로일렉트릭 상전이, 위상 물질의 동적 제어, 비평형 위상상태의 실시간 관측 등 혁신적인 연구 결과를 도출하고 있습니다.
이러한 연구는 차세대 양자소자, 초고속 정보처리, 에너지 변환 등 다양한 응용 분야로의 확장 가능성을 지니고 있습니다. 또한, 실험과 이론의 긴밀한 협력을 통해 새로운 물질 설계와 기능성 소재 개발에 기여하며, 미래 양자기술 및 신소재 과학의 발전에 중요한 역할을 하고 있습니다.
비평형 다체계 양자 시뮬레이션 및 광공동 초전도 현상
비평형 다체계 양자 시뮬레이션은 전통적인 평형 상태의 물질 연구를 넘어, 외부 구동(광, 전기장 등)에 의해 유도되는 복잡한 양자 시스템의 동적 거동을 이해하는 데 필수적인 연구 분야입니다. 우리 연구실은 비평형 그린 함수, 정확한 대각화, 실시간 밀도 범함수 이론 등 다양한 이론적·수치적 방법을 개발 및 적용하여, 강상관계 물질, 위상 물질, 초전도체 등에서 나타나는 비평형 현상을 심층적으로 분석합니다.
특히, 최근 주목받는 광공동(cavity) 내에서의 물질-광 상호작용을 통한 초전도 현상 향상(light-enhanced superconductivity) 연구에 집중하고 있습니다. 이는 진공 광자장과 물질의 결합을 통해, 기존 초전도체의 임계 온도를 비약적으로 증가시키거나 새로운 위상 상태를 실현할 수 있는 혁신적 접근법입니다. 실제로 MgB2, SrTiO3 등 다양한 물질에서 광공동 효과에 의한 초전도 특성 변화, 위상 전이, 비평형 위상 상태의 실시간 제어 가능성을 이론적으로 예측하고 있습니다.
이러한 연구는 미래 양자정보, 초전도 소자, 에너지 효율적 전자소자 개발 등 첨단 기술의 기반이 되는 핵심 원천기술을 제공합니다. 또한, 비평형 양자 시뮬레이션 기법의 고도화는 실험적 관측을 보완하고, 새로운 물질 설계 및 기능성 소재 개발에 중요한 이론적 토대를 마련합니다.
계산 패키지 및 제일 원리 방법론 개발
우리 연구실은 밀도 범함수 이론(DFT), 시간-의존 밀도 범함수 이론(TDDFT), 비평형 그린 함수, 정확한 대각화 등 다양한 제일 원리 기반 계산 방법론의 개발과 고도화에 앞장서고 있습니다. 이러한 계산 패키지 개발은 복잡한 양자계의 전자구조, 동역학, 위상 특성 등을 정밀하게 예측하고 해석하는 데 필수적입니다.
특히, 실시간 동역학을 구현하는 rt-TDDFT, 강상관계 시스템을 위한 다체계 계산, 위상 물질의 베리 곡률 및 체른 수 계산 등 최신 이론적 기법을 자체적으로 개발하여, 실험적 한계를 극복하고 새로운 물리 현상 예측에 기여하고 있습니다. 또한, 계산 효율성과 정확도를 동시에 높이기 위한 알고리즘 최적화, 병렬 컴퓨팅, 사용자 친화적 인터페이스 개발 등 실용적 측면에서도 다양한 노력을 기울이고 있습니다.
이러한 계산 패키지는 국내외 연구자들과의 협업, 오픈소스 소프트웨어 배포, 교육 및 연구 인프라 구축 등 다양한 방식으로 활용되고 있습니다. 이를 통해 차세대 물리학 연구의 기반을 마련하고, 신진 연구자 양성 및 국내 계산물리 분야의 경쟁력 강화에 기여하고 있습니다.
