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 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.

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.