물리학과

2026년 04월 02일 목요일

전기로 켜고 끄는 고순도 단일양자광원 개발.. “양자 원천 기술”

전압을 가해 켜고 끌 수 있는 단일양자광원이 새롭게 개발됐다. 광원을 켜고 끄기 위해 전압을 가하면 광자의 에너지가 변하는 부작용이 해결돼, 단일양자광원을 이용한 칩 기반 양자컴퓨팅과 양자암호통신 기술 개발을 기대할 수 있게 됐다. UNIST 물리학과 남궁선·김제형 교수팀은 스타크 효과(Stark Effect)를 억제한 2차원 반도체 물질 기반 고순도 단일양자광원을 개발했다고 23일 밝혔다. 일반적인 형광등에서 1초에 약 10¹⁸개 이상의 빛 입자(광자)가 쏟아져 나오는 것과 달리, 단일양자광원은 아주 짧은 순간(나노초)에 단 하나의 광자만을 방출하는 광원이다. 이 단일 광자를 비트(bit)와 같은 정보의 최소 단위로 활용해 양자컴퓨팅이나 양자암호통신에 쓸 수 있다. [연구그림] 2차원 반도체 물질 기반 단일양자광원을 전압으로 스위칭하는 모식도 스타크 효과는 광원을 켜고 끄기 위해 전압을 가했을 때 방출되는 광자의 에너지가 변하는 현상이다. 양자컴퓨팅이나 양자암호통신에서는 여러 광자가 서로 간섭하면서 정보를 처리하는데, 광자 에너지가 달라지면 서로 다른 광자로 구별돼 간섭과 같은 양자현상이 제대로 일어나지 않는다. 특히 여러 광원이 집적돼 전압이 불안정한 칩 환경에서는 스타크 효과가 더 문제가 된다. 연구팀은 단일양자광원 내부에 미세한 공기층을 만드는 방식으로 스타크 효과를 억제한 단일양자광원을 개발했다. 개발된 광원은 뾰족한 실리콘 나노 피라미드 위에 2차원 반도체 물질인 텅스텐 디셀레나이드(WSe₂)가 올려진 구조로, 실리콘과 반도체 사이에 공기층이 형성되어있다. 이 공기층이 2차원 반도체에 전달되는 전기장을 주변부의 약 20분의 1 수준으로 줄여줘 광자의 에너지 변화를 막는다. 또 순도도 개선됐다. 단일양자광원을 실제로 만들면 한 번에 하나의 광자가 아니라 여러 광자가 동시에 방출될 가능성이 있는데, 이번 연구에서는 이 확률값이0.06 수준으로 나타났다. 확률값이 0.5 이하이면 단일양자광원으로 간주되며 값이 0에 가까울수록 하나의 광자만 방출되는 순도가 높은 상태를 의미한다. 연구팀은 실리콘 나노 피라미드와 2차원 반도체 사이에 삽입한 고품질 절연층이 주변 결함에서 발생하는 배경 발광을 줄인 덕분이라고 설명했다. 이번 연구에는 사티아브라트 베헤라(Satyabrat Behera) 연구원과 문종성 연구원이 제1저자로 참여했다. 공동 연구팀은 “전기 신호로 단일광자를 제어하면서도 광자의 에너지를 안정적으로 유지하고, 순도까지 함께 개선한 구조를 제시한 것에 의미가 있다”며 “실리콘 반도체 공정과 호환돼 향후 칩 기반 양자 통신, 광자 양자 컴퓨팅, 양자 광학 센서 개발에 직접 활용될 수 있을 것”이라고 말했다. 연구결과는 나노 레터스(Nano Letters)에 3월 11일 온라인 게재됐다. 연구수행은 정보통신기획평가원(IITP) ITRC 사업, 한국연구재단, UNIST 미래선도형 특성화사업 등의 지원을 통해 이뤄졌다. (끝).

2026년 03월 27일 금요일

UNIST 적분 토너먼트 ‘Integration Bee’ 첫 판 맞붙었다

물리학과는 26일 104동 E206호에서 수학적 문제 해결 능력을 겨루는 ‘Integration Bee 2026’을 처음 개최했다. 학생들의 자발적 참여로 치러진 이번 행사는 UNIST 안에 새로운 학술 문화가 뿌리내릴 가능성을 보여줬다. ‘Integration Bee’는 1981년 MIT에서 시작된 실시간 적분 문제 토너먼트다. 물리학과 공학의 핵심 도구인 적분 풀이 역량을 겨루는 대표적 수학 경진으로 꼽힌다. 최근 국내 여러 대학으로 유사한 형식의 대회가 확산되며 관심이 높아지고 있다. UNIST도 올해 대회를 열며 학내 적분 경진대회의 첫 장을 열었다. 이를 일회성 행사에 그치지 않고 해마다 이어지는 학내 대표 학술 프로그램으로 발전시킨다는 계획이다. 우승자에게 주어지는 ‘Grand Integrator’ 타이틀 역시 학생들이 도전하는 상징으로 활용될 것으로 기대된다. 이번 경진에는 총 19명이 예선에 참가했고, 이 가운데 8명이 본선에 올랐다. 결선 당일에는 학부생과 대학원생 43명, 교직원 6명이 현장을 찾았다. 다양한 전공의 참가자들이 한자리에 모여 문제를 풀고 서로를 응원하며 학문적 경쟁과 교류가 함께 이뤄졌다. 'UNIST Integration Bee 2026' 결승 진출 학생들이 적분 문제 풀이 실력을 겨루고 있다. 제한된 시간 안에 복잡한 적분 문제를 풀어야 하는 방식인 만큼 빠른 판단력과 정확성이 동시에 요구됐다. 우승과 함께 ‘Grand Integrator’ 상을 거머쥔 박정준 학생(기계공학과)은 “고등학생 때부터 Integration Bee 문제를 접하며 관심을 가져왔는데, 직접 참가하게 돼 뜻깊었다”며 “여러 학과 학생들이 짧은 시간에 문제를 해결하는 모습이 인상적이었다”고 소감을 전했다. 2위를 차지한 조현민 학생(기계공학과)은 “다른 참가자들의 수준 높은 풀이를 통해 많은 자극을 받았다”며 “첫 행사임에도 완성도가 높았고, 준비해준 모든 분께 감사하다”고 말했다. 공동 3위에 오른 방세훈 학생(물리학과)은 “많은 학생과 교수님들이 함께해 처음에는 긴장했지만, 점차 경기에 집중할 수 있었다”며 “이번 경험이 수학에 대한 열정을 다시 끌어올리는 계기가 됐다”고 했다. 공동 3위 이예지 학생(새내기학부)도 “다른 참가자들과 함께 문제를 풀 수 있어 의미 있었고, 내년에도 다시 도전하고 싶다”고 덧붙였다. 허민섭 물리학과장은 “첫 개최였지만 높은 참여 속에 마무리된 이번 행사는 UNIST 안에 학문적 도전 문화 확산의 계기가 됐다”며 “앞으로도 학생들의 성장을 지원하는 프로그램을 지속적으로 확대해 나가겠다”고 밝혔다.

2026년 03월 21일 토요일

잡음에도 끄떡없는‘오류 내성 양자 촉매’의 조건 규명

양자 촉매는 얽힘이나 결맞음 같은 제한된 양자 자원을 효율적으로 쓸 수 있게 하는 특수한 양자 자원이다. 이 양자 촉매의 효과를 잡음이 있는 실제 환경에서도 유지할 수 있는 조건을 국제 공동연구진이 제시했다. UNIST 물리학과 이석형 교수와 싱가포르 난양공과대학교 연구팀은 기존에 제시됐던 대부분의 양자 촉매 방식은 미세한 잡음에도 촉매가 점차 훼손돼 반복 사용이 어렵고, ‘촉매 채널’ 방식만이 실제 환경에서도 안정적인 촉매 효과를 유지할 수 있다는 것을 수학적으로 증명했다고 4일 밝혔다. 양자 촉매는 원래는 불가능한 양자 상태 변환을 가능하게 해주는 양자 자원이다. 화학 공정의 촉매처럼 자신은 소모되지 않으면서, 기존 양자 자원을 재사용하는 방식으로 효율성을 높여줄 것으로 여겨져 양자 ‘촉매’라고 불린다. 연구에 따르면, 기존 연구에서 이론적으로 가정된 양자 촉매는 연산에 쓰일 입력 상태를 준비할 때 발생하는 아주 작은 오차(잡음)만으로도 점차 망가진다. 촉매의 가장 큰 특징인 재사용성이 훼손되는 것이다. 문제를 피할 수 있는 해법으로 연구팀은 ‘촉매 채널(Catalytic Channel)’을 제시했다. 촉매 채널은 입력 상태가 무엇이든 관계없이, 항상 촉매가 정확히 원래 상태로 복원되도록 설계된 양자 연산 방식이다. 기존의 양자 촉매는 입력 상태가 완벽하게 준비된다는 이상적인 가정을 전제로 설계돼, 미세한 잡음에는 취약했다. 연구팀은 동시에 촉매 채널의 한계도 분명히 했다. 얽힘, 결맞음 등 대표적인 양자 자원의 경우에는 이 ‘촉매 채널’ 연산 방식을 적용하더라도 새로운 이득을 얻는 것이 원천적으로 불가능하다는 ‘불가능성 정리’를 내놨다. 반면, 특정한 열역학적 조건에서는 잡음이 있어도 촉매 채널의 효과를 안정적으로 유지할 수 있음을 보였다. 이석형 교수는 “이번 성과는 실험적으로 검증하기 어려운 이상적인 가정이 아니라, 잡음이 존재하는 현실적인 조건에서 양자 촉매가 어디까지 유지될 수 있는지를 밝힌 연구”라며, “양자 컴퓨터의 연산 효율을 높이기 위한 회로 최적화나 양자 열기관 설계에서, 잡음에 강한 구조를 어떻게 설계해야 하는지에 대한 가이드라인을 제시했다는 데 의미가 있다”고 설명했다. 양자 열기관은 자동차 엔진이나 에어컨 같은 고전적인 열기관을 원자나 분자 단위의 미시 단위로 축소한 장치다. 이번 연구는 이 교수와 싱가포르 난양공대(NTU)의 넬리 응(Nelly H. Y. Ng) 교수가 교신저자, 난양공대 손정락 박사가 제1저자로 참여했다. 프랑스 엑스-마르세유 대학교, 일본 나고야 대학교 연구진도 함께했다. 한국연구재단과 정보통신기획평가원(IITP) 등의 지원을 받아 이뤄졌으며, 연구 결과는 물리학 분야 권위 학술지인 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’에 지난달 6일 출판됐다. (끝)

2026년 01월 15일 목요일

DNA 닮은 ‘손대칭성 물질’ 속 전자, 튕겨 나올 때 ‘스핀’도 바뀐다!

손대칭성 물질을 통과한 전자의 스핀이 한쪽 방향으로 정렬되는 현상은 차세대 스핀트로닉스 기술의 토대가 되지만, 이 현상의 구체적 과정은 미궁이었다. 국제 공동 연구진이 전자의 스핀 분포를 실공간에서 관찰하는 실험을 통해 이 문제에 해답을 제시했다. UNIST 물리학과 남궁선·박노정 교수팀은 미국 펜실베이니아주립대 빙하이옌 교수팀과 함께 손대칭성 물질이 전자의 스핀 방향 자체를 바꾼다는 사실을 입증했다고 7일 밝혔다. 손대칭성 물질이 특정 방향의 스핀을 걸러내는 수동적인 역할을 한다는 가설이 주를 이뤘는데, 이를 뒤집는 연구 결과다. 손대칭성(키랄성)은 왼손과 오른손처럼 얼핏 보면 모양이 같게 생겼지만, 절대로 포개질 수 없는 구조를 말한다. 우리 몸의 DNA나 용수철도 꼬인 방향에 따른 손대칭성이 있다. 이런 나선형 손대칭성 물질에 전류를 흘리면 특정 방향의 스핀을 가진 전자만 통과하는 현상이 나타나는데, 이는 차세대 스핀트로닉스 소자를 만들 수 있는 원리이다. [연구그림] 손대칭성 물질에 전류를 흘렸을 때 꼬인 방향에 따라 스핀 전류가 흐르게 되는 원리 모식도 하지만 이 현상이 어떻게 나타나는지를 두고는 학계 해석이 엇갈려 왔다. 손대칭성 물질이 원하지 않는 스핀은 튕겨내고 맞는 스핀만 통과시킨다는 ‘스핀 필터’ 가설과 전자의 스핀 방향을 물질의 구조에 맞춰 변화시킨다는 ‘스핀 편극자’ 가설이 맞서 온 것이다. 연구팀은 원자들이 나선형으로 꼬여있는 무기물인 텔루륨 나노선을 이용해 이를 실험적으로 규명했다. 텔루륨 나노선에 그래핀 전극을 연결해 전류를 흘린 뒤, 이를 특수 현미경으로 관찰한 실험이다. 관측 결과, 나노선과 전극에서 나타난 스핀의 방향(부호)이 서로 같다는 사실이 확인됐는데, 이는 기존에 유력했던 ‘스핀 필터’ 가설과는 배치되며 ‘스핀 편극자’가설에 더 힘을 실어주는 결과다. 손대칭성 물질이 필터 역할을 한다면, 걸러진 스핀과 통과한 스핀의 부호가 서로 다르게 나타나야 하기 때문이다. 또 연구팀은 이 같은 현상을 이론계산으로도 확인했다. 박노정 교수팀은 손대칭성 물질을 통과하는 전자가 손대칭성 물질을 따라 돌아가며 궤도 각운동량을 가지게 되고, 이 궤도 각운동량에 따라 스핀 방향이 결정되는 과정을 밀도범함수이론 계산을 통해 밝혀냈다. 남궁선 교수는 “오랫동안 논쟁 대상이 되었던 손대칭성 물질 내 스핀의 거동을 명확히 시각화하여 증명해낸 연구”라며 “향후 손대칭성 물질을 기반으로 한 스핀트로닉스 소자와 양자 소자 설계에 단서가 될 것”이라고 밝혔다. 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 기초연구실 사업 및 중견연구 사업의 지원으로 수행됐으며, 국제학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’에 지난달 23일 출판됐다.

2026년 01월 08일 목요일

6G 테라헤르츠 시대 초고속 양자 터널링 소자 개발

6G 통신 등에 필수적인 초고속 작동 능력을 갖춘 양자 소자가 새롭게 개발됐다. UNIST 물리학과 박형렬 교수팀은 아주대 물리학과 이상운 교수팀과 함께 기존 양자 소자가 강한 전기장을 견디지 못하고 녹아버리던 문제를 해결한 새로운 테라헤르츠 양자 소자를 개발했다고 30일 밝혔다. 테라헤르츠 양자 소자는 기존 반도체의 느린 작동 속도로는 감당하기 어려웠던 6G 통신 등 초고속 신호 처리를 가능하게 할 차세대 소자로 꼽힌다. 1초에 수조(10¹²) 번 이나 진동하는 테라헤르츠파로 유도한 전자의 터널링을 이용하기 때문이다. 터널링은 전자가 에너지벽을 뚫고 지나가는 양자적 현상이다. 문제는 터널링을 일으키기 위해서 3V/nm(볼트/나노미터)라는 매우 강한 테라헤르츠파 전기장을 가해줘야 한다는 점이다. 강한 전기장은 발열을 유발해, 소자의 금속 전극이 녹거나 구조가 손상되는 한계로 이어졌다. [연구그림] 테라헤르츠 전기장에 의해 유도되는 양자 터널링 현상 연구팀은 기존의 1/4 수준의 약한 전기장에도 터널링이 잘 일어나는 테라헤르츠 양자 소자를 개발했다. 테라헤르츠 양자 소자는 금속 전극 사이에 절연체가 끼어있는 형태인데, 이 절연체를 기존의 산화알루미늄(Al₂O₃)에서 이산화티타늄(TiO₂)으로 바꾼 것이다. 이산화티타늄을 쓰면 에너지장벽의 높이가 낮아지는 원리를 이용한 기술이다. 제1저자인 지강선 연구원은 “강한 전기장으로 전자를 밀어내는 방식이 아닌, 전자가 더 쉽게 이동할 수 있는 길을 열어주는 접근법”이라며 “터널링은 확률적 현상이라 에너지 장벽 높이가 낮아지면, 확률이 급격하게 증가하게 된다”라고 설명했다. 연구팀은 최적화된 원자층증착 공정을 이용해 이 같은 구조의 고품질 소자를 제작해냈다. 원래 이산화티타늄 박막을 금속 전극 위에 입히게 되면, 원자 크기의 미세 구멍(산소 공극)이 만들어지는 불량이 잘 발생한다. 이상운 아주대학교 교수는 “반도체 로직·메모리 소자 양산 공정에서 쓰이는 최신 원자층증착 기술을 적용해 차세대 양자 소자의 산소 공극 결함을 잡아낼 수 있었다”고 말했다. 원자층층착은 원료 기체를 번갈아가며 주입해 기판에 원자 한층 씩 박막 쌓아나가는 기술이다. 개발된 소자는 약 0.75 V/nm의 전기장에서도 안정적인 터널링 구동을 보였다. 또 이산화티타늄의 뛰어난 열 배출 성능 덕분에 테라헤르츠파 투과율을 최대 60%까지 조절하는 조건에서도 1,000회 이상 성능 저하 없이 안정적으로 작동했다. 박형렬 UNIST 교수는 "테라헤르츠 양자 소자의 상용화를 가로막던 가장 큰 걸림돌인 고전압 구동과 열 파괴 문제를 근본적으로 해결했다"며 "6G 시대를 넘어선 미래 광통신 소자, 고감도 양자 센싱 분야의 원천 기술이 될 것"이라고 강조했다. 이번 연구는 나노과학 분야의 세계적 권위지인 ACS Nano에 12월 20일(현지시간) 온라인 게재됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF), 정보통신기획평가원(IITP) 등의 지원을 받아 이뤄졌다.

2025년 12월 31일 수요일

양자계의 시·공간 상관관계를 통합한 이론 제시

양자역학과 상대성이론은 현대 물리학의 두 축이지만, ‘공간’과 ‘시간’을 다루는 방식에서는 100여 년 넘게 어색한 불일치를 안고 있었다. 상대성이론이 처음부터 공간과 시간을 하나의 ‘시공간’으로 묶어 기술하는 반면, 기존 양자이론은 공간에 대해서는 양자상태(밀도행렬)로, 시간에 따른 변화는 양자채널(시간에 따른 진화)로 서로 다른 언어를 써 왔기 때문이다. 이러한 가운데 시공간 전역에 걸친 양자 상관관계를 통합적으로 다룰 수 있는 연구 결과가 나와 눈길을 끈다. UNIST는 물리학과 이석형 조교수 연구팀이 시간축 전체를 하나의 ‘양자상태’로 다루는 새로운 이론적 틀을 정립해 국제학술지 피지컬 리뷰 레터스에 게재했다고 밝혔다. 연구팀이 제안한 핵심 개념은 ‘시간 위의 다자 양자상태(multipartite quantum states over time)’다. 직관적으로 말해 여러 시점에 걸쳐 일어나는 양자 과정을 모두 하나의 거대한 양자상태로 묶어 표현하는 방식으로, 이를 통해 공간적으로 떨어진 계뿐 아니라 시간적으로 떨어진 계도 동일한 수학 구조 안에서 다룰 수 있게 된다. 연구진은 “초기 상태에 대해 선형(linear)일 것”과 “고전 확률론에서의 조건부 확률에 해당하는 양자적 조건화 가능성(quantum conditionability)을 만족할 것”이라는 두 가지 단순한 물리 가정을 출발점으로 삼아, 이 가정들을 모두 만족하는 시간 양자상태의 수학적 구조가 유일하게 결정됨을 증명했다. 이 결과를 통해, 그동안 서로 다른 형식으로 다뤄졌던 공간 상의 양자상태와 시간 상의 양자과정(채널)을 하나의 통합된 언어로 기술할 수 있는 기반이 마련됐다. 연구진은 특히, 새롭게 정립한 시간 양자상태가 ‘커크우드–디랙(Kirkwood–Dirac) 준확률 분포’와 표준적인 방식으로 일대일 대응을 이룬다는 사실을 밝혀냈다. 이를 바탕으로, 최근 주목받는 ‘퀀텀 스냅샷(quantum snapshotting)’과 같은 실험 기법을 이용해 시간에 따른 양자 상관관계를 실제 실험실에서 정밀하게 재구성할 수 있는 가능성도 제시했다. 이처럼 이론–수학–실험 가능성을 모두 아우르는 이번 성과는 양자이론 내부의 언어만으로 시공간을 일관되게 다루는 첫 정교한 틀이라는 점에서 큰 응용 가능성을 열었다. 이번 연구는 이석형 조교수가 제1저자로서, 중국 하이난대학교 수리통계학과의 제임스 풀우드(James Fullwood) 교수가 교신저자로 참여했다. 두 연구진의 협력으로 완성된 이 이론은 향후 양자정보과학과 양자계측, 나아가 양자중력과 같은 궁극적 통일이론 연구에도 새로운 도구를 제공할 것으로 기대된다. 연구 수행은 정보통신기획평가원 등의 지원을 받아 이뤄졌다. 연구가 게재된 피지컬 리뷰 레터스는 물리학 분야의 최고 권위 저널 중 하나다. 네이처인덱스 분석에 따르면 1997년부터 2017년까지 노벨상 수상 성과의 1/4 이상에 이 저널에 실린 논문을 토대로 하고 있다. UNIST 물리학과는 올 한해만 6편의 연구 성과를 이 저널에 게재하는 성과 거뒀으며, 중앙일보 대학평가에서 자연과학 수학·물리 부문 최수우 대학에도 선정됐다.

2025년 12월 20일 토요일

반도체 한계 넘는 제3의 자성 소재 신호 제어 가능성 규명

국내 연구진이 교자성체 소재 안에서 스핀의 정렬된 방향을 바꿔 변환 신호 방향을 뒤집는 데 성공했다. 복잡한 구조나 강한 자기장 없이도 전류를 스위칭할 수 있는 저전력 스핀 반도체 소자 개발의 물꼬를 텄다는 평가다. UNIST 신소재공학과 유정우 교수와 물리학과 손창희 교수팀은 산화루테늄 교자성 소재 안에서 스핀-전하 변환을 가역적으로 제어할 수 있음을 실험적으로 입증했다고 10일 밝혔다. 산화루테늄은 최근 반도체 분야에서 강자성과 반강자성 소재의 장점을 갖춘 제3의 자성 소재인 ‘교자성체’로 분류되며 관심을 받아온 물질이다. 이 물질은 이론적으로 기존 반도체 소자의 속도 한계를 넘고 에너지 효율을 극대화하는 스핀 반도체를 만들 수 있다. 하지만 자성 소재로 반도체와 같은 전자 소자를 만들려면 ‘스핀’ 신호를 회로가 인식할 수 있는 전류 신호로 바꾸는 과정(스핀-전하 변환)이 필수인데, 교자성 소재의 경우 아직 확립된 제어 기술이 부족했다. 연구팀은 이 물질 내부의 스핀 정렬 방향인 네엘 벡터(Néel vector)를 조절하면, 스핀이 전하 전류로 바뀌는 변환 방향(극성)이 정반대로 뒤집힌다는 사실을 실험적으로 입증했다. 즉 물질 내부의 자성 정렬 상태를 180도 회전시키는 것만으로도 출력되는 전기 신호의 플러스(+)와 마이너스(-)를 가역적으로 바꿀 수 있음을 증명한 것이다. 이는 외부 전력 공급 없이도 정보가 유지되는 ‘비휘발성’ 메모리 소자의 ‘0’과 ‘1’ 상태를 명확하게 구분하고 제어할 수 있는 원리다. 기존 기술에서는 이러한 신호 변환을 제어하기 위해 복잡한 다층 구조를 쌓거나 강한 외부 자기장을 활용하는 방식이 주로 사용됐다. [연구그림] 네엘벡터 방향에 따라 뒤집히는 교자성 스핀-전하 변환 신호 연구팀은 자체적으로 고안한 소자를 제작해 이 같은 사실을 입증했다. 이산화타이타늄 (TiO₂) 기판에 산화루테늄 (RuO₂), 코발트철붕소(CoFeB) 박막을 차례로 적층한 소자를 만들고, 코발트철붕소 박막에서 온도 차이로 인해 생성된 스핀 신호를 산화루테늄에 주입하는 실험을 한 것이다. 스핀 신호가 산화루테늄에서 전하 신호로 변환되는데, 이 신호를 측정했다. 공동연구팀은 “교자성체에서 스핀 신호를 가역적으로 조절할 수 있다는 점을 실험으로 확인한 연구”라며 “이러한 원리는 스핀 기반 차세대 논리 소자나 메모리 소자 설계에 쓰일 수 있을 것”이라고 설명했다. 이번 연구는 2024년 9월부터 과학기술정보통신부의 ‘한계도전 R&D 프로젝트’의 지원을 받아 진행됐다. 이 프로젝트는 기존 방식으로는 실현하기 어려운 고난도·고파급 기초과학 연구를 빠르게 추진할 수 있도록 설계된 한국의 혁신적 연구개발 시스템이다. 연구팀은 이러한 지원을 바탕으로 소재 합성부터 소자 제작과 측정, 논문 발표에 이르는 전 과정을 단 1년여 만에 완수하여 탁월한 성과를 거뒀다. 이 사업을 담당하는 한계도전전략센터의 김동호 책임PM(프로그램 매니저)은 “이번 성과는 실패를 두려워하지 않고 과감하게 도전한 혁신도전형 연구의 대표적 사례로, 향후 이 기술이 우리나라 반도체 산업의 핵심 전략기술로 발전할 수 있도록 강력한 지원을 지속해 나갈 것”이라고 밝혔다. 이번 연구는 UNIST 신소재공학과 정현정 연구원(현 GIST 이노코어 박사후연구원)과 물리학과 소기목 연구원이 제 1저자로 참여했으며, 나노과학·재료 분야 국제적 권위지인 나노 레터스(Nano Letters)에 11월 25일 게재되었다.

2025년 12월 16일 화요일

“챗GPT랑 함께한 연구결과물 제출하고 상금 받아가세요!”

과학기술정보통신부가 2026 AI Co-Scientist Challenge Korea 참가팀을 모집한다. 과학기술 연구에 AI를 효율적으로 활용할 수 있는 방법을 모색하고 더 나아가 연구동료로서 AI의 가능성과 한계를 탐색하기 위한 시도다. 이번 대회는 국내‧외 기업, 연구자, 학생 누구나 참여할 수 있으며, 상용 AI를 활용한 연구결과를 겨루는 Track 1, 직접 연구 도우미 AI 에이전트를 개발하는 Track2로 나눠 진행된다. Track1 참가자들은 상용 LLM이나 AI 에이전트를 활용해 바이오, 반도체 등 7대 분야의 지정주제 또는 자유 주제로 연구를 진행하고, 논문 형태의 연구보고서를 제출하면 된다. 이 때 AI 활용보고서(URL, 로그, 체크리스트 등 포함)와 활용 데이터 목록도 함께 제출해야 한다. Track1 부분은 총 6점의 수상작을 선발할 계획이며, 대상인 과학기술정보통신부장관상 수상자에는 500만원의 상금이 주어진다. Track2 부분의 사전 심사를 통과한 10개 팀에게 AI 모델 개발에 필요한 GPU, API 이용 비용 등을 제공한다. 총 10점의 수상작을 선발할 계획이다. Track2 대상팀은 500만원의 상금 뿐만 아니라 향후 연간 5억 원 규모의 ‘딥사이언스 창업 활성화 지원’(최대 3+2년, 기업) 또는 ‘공공연구성과 실증 시범사업’(2년, 연구자) 등 대형 후속 사업화 과제와 연계되는 특전이 주어진다. Track1은 이달 10일부터 내년 1월 31일까지, Track2의 사전 제안서는 내년 1월 2일까지 대회 공식 누리집(https://aifactory.space/page/ask2026)을 통해 온라인으로 접수하면 된다. 문의는 대회공식 누리집을 통해서 가능한다.

2025년 10월 20일 월요일

티끌보다 작은 세균의 힘, 끼리끼리 노는 통계 분포 법칙 깨긴 충분했다!

끼리끼리 논다는 법칙은 과학에도 적용된다. 물과 기름은 섞이지 않고, 이 안을 떠다니는 미세 입자들도 물과 기름 중 자신이 더 편한 쪽, 즉 에너지가 낮은 쪽에 모이게 되는 분포 법칙이다. 하지만 티끌보다 더 작은 세균이더라도 스스로 움직일 수 있다면 이 같은 통계 분포를 깰 수 있는 것으로 나타났다. UNIST 물리학과 정준우 교수, 생명과학과 로버트 미첼 교수와 스탠퍼드 대학 쇼 타카토리 교수 연구팀은 세균처럼 작지만 스스로 움직일 수 있는 입자들이 어떠한 통계 분포 원리를 따르는지를 세계 최초로 규명했다고 12일 밝혔다. 이번 연구 결과는 물리학 권위지인 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)에 9월 16일 온라인 공개됐다. 연구에 따르면, 살아있는 세균의 분포를 결정하는 요소는 세균의 운동성과 특정 액체상에 대한 선호도다. 세균이 특정 액체상에 끌리는 힘은 세균을 해당 액상에 가두는 역할을 하고, 세균의 운동성은 그곳에서 빠져나올 수 있도록 만드는 경쟁적 관계다. [연구그림] 실험 모델과 운동성 유무에 따른 세균(박테리아) 분배 모식도 연구팀은 세균의 분포를 설명하는 이론 모델을 이 두 힘을 정량적으로 분석해 만들어냈다. 광학집게 기술로 세균이 특정 액체상에 끌리는 힘을 측정한 결과, 1 피코 뉴턴 (1pN) 수준으로 밝혀졌다. 피코뉴턴은 머리카락 한 올이 느끼는 중력보다 천만 배 작은 힘이다. 세균의 추진력은 10 피코뉴턴 수준이다. 자신의 운동 추진력으로 특정 액상에 가두는 힘을 넘어설 수 있는 것이다. 이번 연구는 청국장 발효균인 고초균을 덱스트란과 폴리에틸렌글리콜 수용액으로 이뤄진 수계 2상 시스템에 주입하는 실험 모델에서 이뤄졌다. 물에 덱스트란과 폴리에틸렌글리콜을 녹이면 서로 섞이지 못해 분리된 두 액체상이 생긴다. 고초균 표면은 당 성분으로 싸여 있어 원래 덱스트란 수용액상에 끌리는 성질이 있지만 표면처리를 하게 되면 선호도가 바뀌어 폴리에틸렌글리콜 상에 끌리게도 할 수 있다. 실험에서, 움직이지 않는 고초균은 선호하는 한쪽 상에 모인 반면, 살아있는 고초균은 양쪽 모두에 고루 분포했다. 고초균이 골고루 분포하는 현상은 기존에 입자의 분포를 지배하는 ‘열적 요동’만으로는 설명되지 않는 현상이다. 천지용 UNIST 물리학 박사(現 조지아텍 박사후 연구원)와 최규환 스탠포드 대학교 박사후 연구원이 이번 연구의 제1저자로 참여했다. 연구팀은 “물리, 화학공학, 미생물학을 아우르는 협업 연구를 통해 비평형 상태에서 콜로이드 입자의 분포 법칙에 작용하는 힘을 처음으로 정량화했다”며 “이 모델시스템은 비평형 통계역학과 비평형 상태에서 계면-콜로이드 입자간의 상호작용에 대한 이해도를 높일 수 있을 것이다”라고 강조했다. 한편, 비평형 상태는 외부에서 에너지가 계속 공급되거나 소모되는 상태로, 이번 모델은 세균이 에너지를 써 추진력을 만들기 때문에 비평형 상태에 해당한다. 정준우 교수는 “이번 연구는 세균이 체내 특정 조직에 자리 잡는 원리를 설명할 단서를 제공할 뿐만 아니라 단백질 정제, 바이오칩 설계, 미세 로봇 제어 개발에 등에도 도움이 될 수 있을 것”이라고 말했다. 연구 수행은 한국연구재단, 미국 국립보건원, 미국 국립과학재단, 미국 공군연구소, 미국 팩커드 펠로우쉽의 지원으로 이루어졌다.

2025년 09월 18일 목요일

물리학과 김재영 교수, M87 블랙홀 자기장 변화 첫 포착!

물리학과 김재영 교수가 참여한 국제 연구진이 M87 은하 중심 블랙홀의 새로운 영상을 공개했다. 사건지평선망원경(EHT, Event Horizon Telescope)* 국제 공동 연구진은 16일, 2017년 이후 4년에 걸쳐 찍은 블랙홀 영상에서 자기장 패턴이 뒤집힌 사실을 확인했다고 밝혔다. *사건지평선망원경(EHT, Event Horizon Telescope): 전 세계에 산재한 전파망원경을 연결해 지구 크기의 가상 망원경을 만들어 블랙홀의 영상을 포착하려는 국제협력 프로젝트이자 이 가상 망원경의 이름. 사건지평선이란 블랙홀 안팎을 가르는 경계를 뜻한다. 그림 1. 사건지평선망원경으로 촬영한 M87 블랙홀의 영상 (출처: ©EHT Collaboration) 그림설명: 왼쪽부터 2017·2018·2021년 결과를 보여준다. 고리 위의 가느다란 선은 관측된 선형 편광의 방향(전기장 벡터)을 뜻한다. 세 영상 모두에서 블랙홀 그림자로 불리는 중심 검은 부분과 블랙홀의 중력에 의해 휘어진 빛이 고리 모양으로 관측됐다. 블랙홀의 그림자 부분과 고리의 크기는 거의 일정하지만 가장 밝은 부분의 위치와 편광 패턴이 연도별로 변화하는 것을 볼 수 있다. 이번 M87 영상은 2021년 관측 자료로 얻었다. 2017년 인류 최초 블랙홀 영상, 2018년 후속 영상에 이어 세 번째다. 중심부 그림자와 고리 모양은 그대로였지만, 빛의 편광 패턴만 크게 달라졌다. 2017년 영상과 비교하면 편광 회전 방향이 정반대였다. 연구단은 M87 블랙홀 근처 자기장이 구조적으로 바뀌었거나, 플라즈마와 뒤섞이며 ‘패러데이 스크린’이 작용했을 가능성을 제시했다. 사건지평선 부근의 자기장과 물질이 예측보다 훨씬 역동적이며 복잡한 운동을 한다는 증거다. 그림 2. 2017년(왼쪽)과 2021년(오른쪽) 사이 편광 방향을 설명할 수 있는 이론 모델들 중 하나인 블랙홀 주변 자기장의 변화를 나타낸 모식도 (출처: ©EHT Collaboration) 그림설명: 가운데 검은색 원은 M87 블랙홀, 흰색 막대는 관측된 빛의 고리의 편광 방향, 검은색 실선은 자기장의 방향을 나타낸다. 해당 모델에서 편광 방향의 패턴이 뒤집힘에 따라 블랙홀 주변 자기장의 방향도 마찬가지로 변함을 볼 수 있다. 김재영 교수는 국제연구단 핵심 과학자들과 함께 주요 과학 연구 목표를 설정하고, EHT 관측망의 핵심인 아타카마 대형 밀리미터 간섭계(ALMA) 관측시간 확보 등 핵심 준비를 이끌었다. 데이터 분석에도 직접 참여해 프로젝트 전반에 깊이 관여해 왔다. 그의 지도를 받은 석사과정생 이덕형 연구원은 2021년 데이터를 실제로 검증하고 통계 분석을 주도했다. 이 과정에서 한국 대학원생이 거대 국제 프로젝트에서 핵심 데이터를 직접 책임진 사례로 기록됐다. 폴 타이드(Paul Tiede) 하버드 스미스소니안 천체물리학센터 박사는 “장기간 영상으로 블랙홀의 극한 환경을 더 깊이 이해할 수 있었다”고 말했다. 미하일 얀센(Michael Janssen) 네덜란드 라드바우드대 교수는 “아인슈타인의 이론을 다시 확인하면서도 예상치 못한 복잡한 자기장 구조가 드러났다”고 설명했다. 김재영 교수는 “사건지평선 주변에서는 고온·고압 플라즈마가 순식간에 블랙홀로 떨어지거나 분출한다”며 “이 흐름이 주변을 휘저어 편광 변화를 만든 것 같다”고 분석했다. 그는 이어 “이 현상을 이해하려면 기존 모델을 넘어서는 더 정밀한 연구가 필요하다”고 전했다. 이번 연구에는 한국 연구진 활약이 두드러졌다. UNIST 김재영 교수와 이덕형 연구원은 영상 복원 알고리즘의 신뢰도를 높이고, 자기장 구조 변화 해석에도 힘을 보탰다. 특히 대학원생이 국제 공동 연구단에서 핵심 데이터를 직접 비교·검증한 사례는 차세대 연구자 양성의 의미를 더했다. EHT 연구진은 2017년 이후 2018, 2021, 2022, 2024, 2025년까지 관측을 이어왔다. 2026년에는 최초의 블랙홀 동영상을 찍기 위해 약 3개월간 주 2회씩 M87을 촬영할 계획이다. 한국우주전파관측망(KVN)도 여기에 참여해 영상의 정밀도를 높인다. 한편, 김 교수는 EHT 연구단 과학위원회 멤버로 활동하며 국제연구단의 장기 과학 연구 목표 및 개발 계획을 수립하고 있다. 그는 “EHT 연구진이 매년 망원경 확충과 장비 업그레이드, 새로운 알고리즘으로 발전하고 있다”며 “앞으로는 우주–지상, 지상–월면 전파망원경을 연결해 더 먼 블랙홀 영상화에 나설 것”이라고 덧붙였다. 이번 결과는 국제 학술지 ‘천문학과 천체물리학(Astronomy & Astrophysics)’ 2025년 9월호에 게재됐다. 연구에는 박종호 경희대 우주과학과 교수, 한국천문연구원·연세대 조일제 박사후연구원이 공동 참여했다.