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한명준 교수, 새로운 양자역학적 자성 상태 확인
〈 한명준 교수 연구팀 〉
우리 대학 물리학과 한명준 교수 연구팀이 중앙대학교, 일본 이화학연구소 (RIKEN), 미국 아르곤 국립 연구소 (Argonne National Laboratory) 등과의 공동연구를 통해 새로운 양자역학적 자성 상태인 ‘Jeff = 3/2’의 존재를 처음으로 확인했다.
양자역학에서는 스핀 각운동량과 궤도 각운동량의 합으로 주어지는 총 각운동량을 보통 영문자 ‘J’로 표현한다. 이번에 확인된 특이 자성은 특정한 조건이 만족될 때만 나타나는 일종의 각운동량으로 볼 수 있는데, 학계에서는 ‘유효 (effective) 각운동량’이라는 의미로 흔히 ‘Jeff’로 표기해 왔다.
유효 각운동량이 3/2이 되는 경우는 그간 그 가능성에 대한 논의가 있기는 했지만 실제로 확인되지 못하고 있었는데 이번에 최초로 발견된 것이다.
이는 향후 초전도 현상, 양자 자성 등 관련 연구에도 새로운 발판이 될 것으로 기대된다.
정민용, 심재훈 석박사 통합과정이 참여한 이번 연구는 국제 학술지‘네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다.
최근 학계에서는 스핀-궤도 결합이 강한 상황에서 통상적인 것과는 다른 독특한 양자 상태가 구현될 수 있다는 것이 알려지면서 활발한 연구가 진행되고 있다.
보통 전자의 스핀이나 오비탈이 나타내는 자기 모멘트와 달리 이 두 가지가 강하게 결합하여 형성된 유효 자기 모멘트 Jeff는 특이한 바닥상태와 상호작용 양상을 나타내며 이로부터 새로운 현상과 물성이 발현될 수 있다.
지난 10년 여 간의 연구가 주로 Jeff가 1/2인 경우에 대하여 이루어진 데에 반해 이 값이 3/2이 되는 경우에 대한 연구는 실제 사례를 찾지 못하며 더디게 진전되고 있는 상황이었다.
한 교수가 이끄는 연구팀은 지난 2014년 원자가 아니라 분자 오비탈에 기반해 특정 물질군에서‘Jeff = 3/2’상태가 구현될 수 있는 가능성을 이론적으로 예측한 바 있고 이번 연구는 이를 실험적으로 증명한 것이다.
한 교수 팀은‘Jeff = 3/2’상태에서는 일반적인 스핀 모멘트와는 다른 양자역학적 ‘선택 규칙 (Selection Rule)’이 적용되어야 한다는 점에 착안했다.
엑스레이를 이용해 원자 핵 근처에 있는 전자를 ‘여기 (excite)’시키면 여기된 전자는 다른 전자들과 상호작용을 하는 과정에서 흡수되기도 하고 재방출되기도 하는데 이 때 만족시키게 되는 물리법칙이 ‘선택 규칙 (Selection Rule)’이다.
양자역학에 따르면 이 선택 규칙은‘Jeff = 3/2’상태에서는 매우 독특해 보통의 스핀상태와는 뚜렷이 구분될 것이라는 예측이 가능하다. 이러한 아이디어에 따라 진행된 실험에서는 물질 내의 탄탈륨 원자에서 뽑아낸 두 가지 서로 다른 에너지 영역의 전자가 실제 이론 예측을 따르는 스펙트럼 양상을 보이는 것이 확인됐다.
이는‘Jeff = 3/2’모멘트 고유의 양자역학적 간섭현상이 반영된 것으로 그 존재에 대한 매우 직접적인 증거로 받아들여진다.
이 새로운 양자상태는 통상적인 물질의 자기 상태와 매우 다른 것으로서 그 특성에 대한 연구의 시발점이 될 것으로 기대되고 있다. 또한 이러한 자성상태와 상호작용으로부터 발현되는 다양한 물성에 대한 연구 역시 탄력을 받을 것으로 보고 있다.
이번 연구는 한국연구재단의 일반연구자 지원사업과 해외 과학기술 자원활용사업의 지원을 받아 수행됐으며 한국과학기술정보연구원의 슈퍼컴퓨터 자원을 사용했다.
□ 그림 설명
그림1. ‘Jeff=3/2’상태를 갖는 것으로 밝혀진 갈륨 탄탈륨 셀레늄화합물의 결정구조
그림2. 갈륨 탄탈륨 셀레늄화합물(GaTa4Se8)의 계산된 전자구조
2017.11.30
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생명과학기술대학, 하버드대 뇌과학센터와 연구협력 양해각서 체결
우리대학 생명과학기술대학은 미국 하버드대학교 뇌과학센터와 뇌연구분야 공동연구, 연구원 교류를 포함하는 양해각서를 최근 체결했다고 20일 밝혔다.
세계적으로 뇌연구를 주도하는 하버드대학교 뇌과학센터(소장 케네스 블럼( Kenneth Blum))와 체결한 양해각서에는 연구협력, 교수, 연구원, 학생의 교환, 연구 인프라와 연구재료 공동 활용, 국제적인 연구과제의 공동수주 등에 관한 협력을 담고 있다.
양해각서를 체결한 이상엽 KAIST 생명과학기술대학장은 “양기관은 이번 양해각서 체결이 세계 선두권의 뇌연구팀들이 힘을 합쳐 뇌과학 및 뇌공학 연구에서 큰 진전을 이룰 것으로 기대하고 있다.”라고 밝혔다.
창의적 융합연구가 강한 KAIST 생명과학기술대학은 바이오 및 뇌공학과와 생명과학과를 중심으로 뇌과학 및 뇌공학 연구분야에서 탁월한 연구성과를 내고 있다.
KAIST는 이번에 체결된 하버드대학교 뇌과학센터와의 협력 이외에도 일본 RIKEN 뇌연구소, 미국 에모리대학, 독일 막스플랑크연구소 등과의 협력도 진행중이다.
KAIST는 이러한 전세계 뇌연구 네트워크에 더하여 서울아산병원, 한국생명공학연구원, 한국표준과학연구원, SK 주식회사 등 이미 가동중인 국내 유수기관과의 협력연구가 가시화되면서 상호 보완 구도의 뇌융합연구를 선도할 수 있게 되었다.
2009.07.21
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KAIST, 최첨단 뇌연구 국제 네트워크 본격 가동
- 미국, 독일 등에 이어 일본 리켄 뇌연구소와 공동학위 과정 운영
KAIST(총장 서남표)가 2010학년도부터 세계 뇌연구를 선도하고 있는 일본 이화학연구소(RIKEN, Rikagaku Kenkyusho) 산하 뇌과학연구소(BSI, Brain Science Institute)와 공동 학위 프로그램을 운영하고 첨단 뇌융합 연구협력을 강화키로 했다.
이는 최근(3월10일) KAIST에서 RIKEN BSI의 케이지 다나카(Keiji Tanaka) 소장과 국내외 최고의 뇌연구관련 전문가들이 모인 가운데, KAIST 생명과학기술대학과 RIKEN BSI간에 상호협력 및 공동학위 프로그램 추진을 위한 양해각서를 체결하고 상호발전을 공동으로 도모하기 위한 워크숍을 개최한 후 진행되는 실질적인 후속조치의 하나다.
이로써 KAIST는 RIKEN BSI와의 전통적인 신뢰관계에 기반한 학술교류에서 한 발 더 나아가 양 기관이 가지고 있는 뇌과학 및 뇌공학분야의 전문적 지식과 연구결과를 상호 공유함으로써 전 세계 뇌연구분야의 선도적인 역할을 계속 이어감은 물론 향후 뇌 연구분야의 전문적 지식을 가진 우수 인력을 공동으로 배출할 수 있게 되었다.
KAIST는 뇌연구와 관련하여 이미 독일 막스 플랑크 연구소(Max Planck Institute), 미 하버드대, 에모리대, 호주 퀸즈랜드대, 스위스 로잔공대 등과 공동 연구를 위한 양해각서 체결 및 협력연구체계를 구축한 바 있어, 이번 RIKEN 뇌과학연구소와의 양해각서 체결로 KAIST 뇌연구분야의 국제적 네트워크가 더욱 확장되고, 뇌연구분야의 세계적인 연구집단으로 성장할 수 있는 또 하나의 디딤돌이 될 것이며, 세계 뇌연구의 허브역할을 할 수 있을 것으로 보고 있다.
KAIST는 지난해 10월 서울아산병원, 한국생명공학연구원, 한국표준과학연구원, SK 홀딩스 등 뇌과학, 뇌공학, 뇌의학 분야의 국내 최고의 연구진들이 모여 세계적 수준의 뇌연구 집단을 구축하기 위한 공동 연구협약을 체결하고 실질적인 공동연구를 진행하는 등 그동안 뇌 연구분야의 발전을 위하여 활발한 활동을 해왔다. 이렇게 이미 뇌연구 분야에서 우수 실적과 역량을 가진 연구기관 들이 하나의 연구집단을 형성하여 앞으로 다가올 뇌의 시대를 대비하고 있다. 이 또한 KAIST가 국내 뇌연구 분야의 구심체 역할을 이미 수행하고 있음을 보여주는 것이다.
KAIST 관계자는 “KAIST는 그간 뇌신경과학과 뇌공학, 그리고 뇌융합연구 분야에서 탁월한 연구성과를 내 왔다. 이제 국내 최고의 뇌연구기관들과 진행되고 있는 협력연구와 더불어 세계 최고 수준의 해외 뇌연구소들과의 협력연구도 진행되어 국내 뇌연구의 발전이 더욱 탄력을 받게 되었다.”며, “일본 RIKEN BSI는 4월부터 노벨생리의학상(1987년) 수상자인 수수무 토네가와(Susumu Tonegawa) 박사가 소장으로 부임하였는데, KAIST와의 공동학위 프로그램, 공동연구 등을 통해 양 기관 뇌융합연구 발전에 획기적 전기를 마련하게 되었다. 앞으로 KAIST는 의학, 공학, 과학이 융합된 명실상부한 뇌연구 분야의 선도 교육 및 연구기관으로서의 역할을 계속 수행할 것이다”고 밝혔다.
2009.04.15
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