물리학과 김세중 동문-이현우 교수

우리대학 학부 졸업 후 ‘학사후 연구원’ 기간에 수행한 연구가 물리학 분야 세계적 권위지에 실렸다.
물리학과 이현우 교수와 김세중 동문(MIT 박사과정 재학 중)이 발표한 논문 ‘양자점에서 전자간의 상호작용에 의해 발생하는 공명현상 및 전자 상태 변환(Correlation-Induced Resonances and Population Switching in a Quantum-Dot Coulomb Valley)’이 미국 물리학회가 발간하는 물리학 분야 권위지인 ‘피지컬 리뷰 레터스(PRL)’ 5월호(4일 발간)에 실렸다.

이 논문은 김 씨가 MIT 대학원에 진학하기 전 2006년 3월부터 7월까지 이 교수 연구실에서 연구원으로 일하면서 수행한 논문이다. 두 사람은 이 논문을 통해 전자간의 전기저항에 관여하는 콘도효과(Kondo effect)가 전자의 궤도운동에 의해서도 상당히 일반적으로 일어날 수 있다는 것을 밝혀냈다.

콘도효과가 강하게 작용하는 상황에서는 외부의 전자가 자유롭게 양자점 안으로 드나들 수 있어 양자점을 통과해 흐르는 전류에 작용하는 전기저항도 작아질 수 있다. 지금까지 이 같은 콘도효과는 전자의 양자역학적 상태인 스핀(spin)이 자유롭게 진동할 수 있는 상황이 아니면 사실상 어렵다고 알려져 있었다.

이번 연구에서는 전자의 스핀 상태가 자기장과 같은 요인으로 고정되는 상황에서도 에너지가 같은 전자의 궤도가 2개 존재할 경우 콘도효과가 상당히 일반적으로 일어날 수 있다는 것이 밝혀졌다. 이 결과는 특히 반도체 광소자, 정보 저장과 처리를 위한 나노미터 전자 소자 분야의 연구에 큰 도움을 줄 것으로 기대되고 있다.
이현우 교수는 “이번 연구는 양자점의 전기적 성질을 활용하려는 기술개발에 큰 도움이 될 것”이라며, “국내 학사과정을 갓 마친 학생의 연구결과가 ‘피지컬 리뷰 레터스’에 실리는 것은 극히 드문 일”이라고 밝혔다.

특히 김 씨는 지난해 2월 우리대학 사상 최고 학점(4.21점/4.3만점)으로 졸업한 ‘역대 수석졸업생’일 뿐 아니라, 학사 자격으로 발표한 논문이어서 더욱 화제를 모으고 있다. 김 씨는 지난해에도 역시 미국물리학회가 발간하는 학술지 ‘피지컬 리뷰 B’에 논문을 발표한 적이 있다.

<용어설명>
△콘도효과(Kondo effect) : 전자가 원자 또는 양자점과 같은 작은 나노 구조물을 통과해서 지나갈 때 생기는 양자 역학적 공명 현상. 기타 줄의 떨림에 의해 생겨난 작은 소리가 기타 울림통과 공명을 일으키며 증폭되는 현상과 유사하게 전류가 양자점 안에 갇혀 있는 전자와 공명을 일으키면 전류가 상당히 달라질 수 있다.
△양자점(Quantum dot) : 금속 또는 반도체로 만들어진 2-10나노미터 크기의 작은 알갱이 모양의 나노 구조물을 지칭. 인공원자(Artificial atom)라고 불리기도 한다. 금속 또는 반도체가 이렇게 작은 크기로 만들어질 경우 물질의 전기적·광학적 성질이 달라지는데, 이때 생겨나는 특이한 성질을 이용해 더 우수한 성능을 가지는 반도체 레이저, 백색 LED 등을 만드는 방법들이 연구되고 있다. 최근에는 양자점을 이용해 양자계산소자를 구현하는 방법, 생명과학연구에서 센서로 활용하는 방법 등도 연구되고 있다.