기초과학

다롄화학물리연구소, 최초로 초광대역 발광 스펙트럼을 보유한 0차원 비납계 페로브스카이트 합성

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최근, 중국과학원 다롄(大連)화학물리연구소 복잡분자시스템 반응동역학연구그룹 한커리(韓克利) 연구팀은 안티몬-비스무트 혼합 기반 0차원 비납계 페로브스카이트(Non-lead perovskite) 단결정을 최초로 합성하였다. 해당 단결정은 초광대역 발광 스펙트럼을 보유하고 있으며 전체 가시역을 커버리지할 수 있다. 해당 연구결과는 "Angew. Chem. Int. Ed."에 게재되었다. 0차원 비납계 페로브스카이트는 3차원 납 함유 페로브스카이트에 비하여 양호한 안정성, 무독성 등 장점을 보유하고 있다. 기존의 0차원 페로브스카이트에 관한 연구에서 1가 0차원 페로브스카이트에 대하여 관심을 가졌다. 비록 해당 0차원 페로브스카이트는 발광 양자 수율이 높지만 발광 스펙트럼이 상대적으로 비교적 좁기에 차세대 발광 소자의 광대역 스펙트럼 요구를 만족시킬 수 없다. 그러므로 전체 가시광을 커버리지할 수 있는 발광 재료 합성은 현재 연구의 프런티어로 되고 있다. 초기 단계에 연구팀은 펨토초 순간 흡수 분광학 기술을 이용하여 비스무트 도핑 기반 2차원 주석계 페로브스카이트 단결정에 대한 발광 동역학적 연구를 수행하였다. 연구 결과, 비스무트 도핑은 2차원 주석계 페로브스카이트 단결정의 발광 피크 위치 및 스펙트럼 형태를 조절할 수 있음을 발견하였다. 펨토초 순간 흡수 분광학 기술을 통하여 해당 조절 메커니즘은 비스무트 도핑으로 인한 비복사 자기 결함 엑시톤 도입으로 유발되었음을 규명하였다. 해당 연구성과는 "Journal of Energy Chemistry"에 게재되었다. 해당 연구에서 연구팀은 창의적으로 안티몬-비스무트 합금 기반 0차원 페로브스카이트 (C8NH12)4Bi0.57Sb0.43Br7·H2O를 합성하였다. 해당 단결정은 뛰어난 안정성을 보유하고 있을 뿐만 아니라 초광대역 발광 스펙트럼을 보유하고 있으며 전체 가시역을 커버리지할 수 있다. 연구팀은 펨토초 순간 흡수 분광학 등 기술을 이용하여 해당 초광대역 스펙트럼은 자유 엑시톤과 자기 결함 엑시톤의 공동 작용으로 형성되었음을 규명하였다. 해당 연구는 고성능 비납계 페로브스카이트 발광 재료에 대한 심층 탐구에 새로운 아이디어를 제공하였다.

칭화대학, 세계 첫 10m 해상도 지구 지표면 커버리지맵 작성

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최근, 칭화대학 지구시스템과학부 궁펑(宮鵬) 연구팀은 국내외 연구자와 공동으로 세계 첫 10m 해상도 지구 지표면 커버리지맵을 작성하였다. 해당 지도 제작법 및 결과는 "Chinese Science Bulletin"에 온라인으로 게재되었다. 현재 세계화 발전과정에서 도시화, 농업 확장, 자원 과도개발 등 일련의 환경 문제가 존재한다. 고해상도 토지 피복 정보 등은 토지환경 모니터링 과정에서의 필수적인 정보이다. 2011년, 연구팀은 세계 첫 30m 지표면 커버리지맵(FROM-GLC)을 작성하였다. 이를 기반으로 10m 해상도 지구 토지 피복도 제품 FROM-GLC10을 개발하였다. 해당 제품은 연구팀이 2011년 이후 FROM-GLC로 획득한 경험 및 샘플 라이브러리 구축 과정에서 축적한 경험 외에 10m 해상도 Sentinel-2로 촬영한 완정한 지구 영상 무료 제공 그리고 Google Earth Engine(GEE) 플랫폼의 강대한 클라우드 컴퓨팅 능력의 도움으로 제작되었다. FROM-GLC10은 FROM-GLC에 비하여 더욱 정밀한 정보를 획득할 수 있으며 FROM-GLC으로 구분할 수 없는 소규모 주거지, 작은 연못, 논밭 및 일부분 노면도 구분할 수 있다. 데이터량 및 컴퓨팅 요구도 약 10배 향상되었다. FROM-GLC10은 전세계 약 9.3만 개 샘플 위치의 30여만 개 서로 다른 계절에서의 훈련 샘플로 훈련한 분류기를 기반으로, 샘플수 및 오차에 대한 심층적 분석 및 시뮬레이션을 통하여 "지표면 커버리지 제한 샘플 안정적 분류" 이론을 제안하였다. 또한 실험 비교를 통하여 FROM-GLC10의 샘플 전이 실행가능성을 입증하였는데 이는 지구 지도 작성에 주요한 지침적 역할을 일으킬 전망이다. 이번의 검증 샘플은 훈련 샘플과 연관성이 없고 지구 지표면 범위에 균일하게 임의적으로 분포되었으며 또한 해당 분포점 위치 유형은 일정한 수준에서 지구의 지표면 커버리지 상황 및 각종 유형의 비율과 대응되기에 검증 정밀도의 객관성을 보증하였다. FROM-GLC10은 현재 세계적으로 가장 정밀한 지표면 커버리지 데이터이며 세계 임의적 지역의 농업, 임업, 수면(Water level) 등 상황에 대한 쾌속 매핑(Mapping) 및 모니터링 능력을 구비하고 있다. 해당 데이터는 이미 전세계에 공개하였다.

중국과기대, 열역학적 진화 과정에서 반작용이 미치는 영향 감소

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최근, 중국과기대 궈광찬(郭光燦) 소속 리촨펑(李傳鋒)/샹궈융(項國勇) 연구팀은 독일 막스플랑크연구소(Max Planck Institute) MartíPerarnau-Llobet 연구팀과 공동으로 광자 시스템에서 최초로 집합 측정(collective measurement)을 이용하여 열역학의 양자 투영 측정 반작용(back action)을 감소시킬 수 있음을 실험적으로 보여주었다. 해당 연구성과는 "Science Advances"에 온라인으로 게재되었다. 열역학 분야에서 1개 물리 시스템의 진화과정에서 에너지 변화를 탐색하기 위해 진화 전후 물리시스템의 에너지를 각각 측정한 다음 2차 측정결과를 이용하여 에너지 변화를 계산하는데 이것이 바로 전통적인 열역학적 2차 투영 에너지 측정(two projective energy measurement) 방법이다. 그러나 해당 방법은 양자 열역학 시스템에서의 1개 에너지 변화 분석에는 적합하지 않다. 양자 투영 측정은 1개 시스템의 양자중첩성을 완전히 파괴시키기에 측정하여 얻은 에너지 변화에는 양자 시스템의 양자중첩 정보가 포함되지 않는다. 이러한 측정으로 인한 시스템 진화에 미치는 영향으로서 에너지 변화를 정확하게 예측할 수 없으며 해당 현상을 열역학에서 반작용력이라고 부른다. 해당 연구의 이론 협력자 MartíPerarnau-Llobet는 2017년에 발표한 이론연구[Phys. Rev. Lett.118, 070601 (2017)]에서 양자 열역학의 기본 변화 이론(fluctuation theorems)을 위반하지 않는 조건에서 반작용이 미치는 영향을 완전히 제거할 수 있는 측정 방안을 설계할 수는 없지만 집합 측정 방식을 통하여 반작용을 감소시킬 수 있다고 제안하였다. 만약 2개의 동일한 복제 양자상태 조건에서 해당 상태에 대한 특정된 광의적 양자 측정을 수행하면 양자상태의 부분 초기 중첩성 정보를 추출할 수 있다. 다시 말해서 집합 측정을 통하여 투영 측정으로 인한 반작용을 감소시킬 수 있다. 연구팀은 실험 과정에서 양자측정의 반작용을 감소시키기 위해 선형 광학시스템의 집합 측정에 적합한 측정 방안을 설계하여 1개 양자 열역학 과정을 효과적으로 시뮬레이션하였다. 해당 시스템은 광자의 다자유도 특성을 이용하여 2개 양자상태를 단일 광자의 편광 및 경로 상태에 코딩함과 아울러 편광 및 경로에 대한 집합 측정을 통하여 초기 양자상태의 중첩 정보를 추출하였고 초기 간섭성을 보유하고 있는 양자상태가 특정된 진화 조건에서의 거동을 예측하였으며 해당 진화 과정에서 에너지의 구체적 전환 방식을 예측하였다. 연구팀은 또한 대조 실험을 통하여 고전 열역학의 2차 투영 측정 방법을 시뮬레이션하여 에너지 전환 방식을 예측하였다. 실험 결과, 다양한 양자상태 또는 다양한 진화과정에서 전통적 방법으로 얻은 열역학 과정 예측 결과는 시스템 자체의 진화 거동과 아주 큰 차이가 있지만 집합 측정을 이용하여 얻은 결과는 실제 진화 과정에 더욱 접근한다. 해당 연구는 집합 측정 및 양자 열역학 연구에 중요한 의미가 있다. 해당 연구 논문의 제1 저자는 중국과학원 양자정보실험실 박사연구생 우캉다(吳康達)이고 교신저자는 샹궈융(項國勇)과 MartíPerarnau-Llobet이다.

최초로 비쌍극자 근사에서의 미소공동-양자점 결합 시스템 증익 규명

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최근 중국과학원 물리연구소/베이징응집물질물리국가연구센터 광물리중점실험실 쉬슈라이(許秀來) 연구팀은 나노물리·장치중점실험실 구창즈(顧長志) 연구원 및 광물리중점실험실 진쿠이쥐안(金奎娟) 연구원 등과 공동으로 미소공동(microcavity)-p-shell 양자점 결합 시스템을 제안·구현했다. 또한 이론·실험적으로 해당 시스템이 비쌍극자 근사를 취하고 있음을 입증함으로써 미소공동-양자점 결합 시스템의 증익을 최초로 규명했다. 연구에서 획득한 210μeV 결합강도는 미소공동-양자점 결합 시스템에서 지금까지 획득한 최대 수치이다. 해당 논문은 "Physical Review Letters"에 게재되었다. 빛과 물질의 결맞음 상호작용은 양자광학네트워크에서의 핵심부분이다. 광자결정 미소공동-양자점 결합 시스템은 적은 감쇠, 작은 모드 부피(mode volume) 및 온칩 집적이 가능한 등 특성을 보유하기에 고체상태 양자광학네트워크에 이상적인 플랫폼을 제공한다. 동 시스템 관련 연구는 주로 양자점의 s-shell 상태에만 집중되어 있다. s-shell 상태의 파동함수는 분포가 적기에 쌍극자 근사로 상기 시스템을 기술할 수 있지만 이는 미소공동-양자점 결합 시스템의 결합강도 저하를 초래할 뿐만 아니라 고체상태 시스템 특성에 의한 광자결정 미소공동 모드 필드(mode field) 분포 제어를 어렵게 한다. 전자기장이 양자점의 파동함수에 영향을 미칠 수 있지만 s-shell 상태의 작은 파동함수 분포는 불분명한 제어 효과를 초래한다. 따라서 미소공동-양자점 결합 시스템에서 어떻게 결합강도 증익 및 고효율적 제어를 달성할 것인지는 빛과 물질의 상호작용 및 양자광학 네트워크를 연구하는데 매우 중요하다. 연구팀은 비쌍극자 근사에서의 미소공동-양자점 결합 시스템을 구현하기 위해 낮은 점밀도(Point Density), 큰 사이즈 양자점 샘플을 성장시켰다. 한편 고정밀도 미세가공 과정을 통해 Q값(quality factor)이 10,000에 달하는 L3형 광자결정 미소공동을 제조했다. 광스펙트럼으로 상기 양자점은 1개 기저상태(s-shell)와 적어도 2개 여기상태(p-shell와 d-shell)를 보유한다. 여기상태는 큰 파동함수 확산을 보유하기에 p-shell의 자기저항은 s-shell에 비해 훨씬 크다. 그중 p-shell는 일부 특수한 엑시톤 상태를 포함하는데 수직 자기장에서 항자기역전 거동을 나타낸다. 이는 해당 엑시톤 상태의 파동함수에서 상당 부분이 침윤층 속까지 확산됨을 설명한다. 연구팀은 상기 특수한 엑시톤 상태에서 비쌍극자 근사의 결합 증익을 관측했다. 미소공동과 점의 약한 결합 작용 하에서 엑시톤 상태의 복사는 Purcell 증익을 발생하는데 그 증익계수는 결합강도와 공동막의 부정합에 의해 결정된다. 실험 데이터로부터 결합강도 크기를 추출한 결과 작은 자기장에서의 결합강도는 자기장에 따라 증가했다. 강한 결합에서의 결합강도는 래비 분할(Rabi splitting)에 대한 정합을 통해 획득했고 자기장에 따른 변화는 약한 결합에서의 결과와 거의 일치했다. 미소공동 내부장의 분포가 불균일한 원인으로 양자점의 파동함수가 자기장에 따라 수축시 파동함수 위치 전기장은 반대로 강해졌다. 따라서 초기 파동함수 확산이 충분히 클 때 시스템의 결합강도는 이전 운행 중 쌍극자 근사에서처럼 자기장에 따라 단조롭게 감소하는 것이 아니라 작은 자기장에서 증익됐다. 실험 및 이론적 결과로부터 이론적 예측, 약한 결합 및 강한 결합에서의 데이터는 서로 일치함을 알 수 있다. 해당 연구는 미소공동-양자점 결합 시스템을 기저상태에서 고에너지 상태로 끌어올렸을 뿐만 아니라 최초로 결합강도의 증익 및 고효율적 제어를 달성해 해당 시스템에 존재하는 약한 결합강도 및 제어 어려움의 문제를 해결했는바 이는 제어 가능한 양자광학네트워크 및 양자 컴퓨팅 구현에 중요한 의미가 있다.

중국과기대, 고차원 양자상태 생성 및 측정 달성

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최근 중국과학기술대학 궈광찬(郭光燦)/한정푸(韓正甫) 연구팀은 양자상태의 상이한 자유도 간 매핑방법을 이용해 충실도와 안정성이 뛰어난 고차원 양자암호키 분배 방안을 설계해 실험적으로 검증했다. 해당 연구성과는 "Physical Review Applied"에 게재되었다. 고차원 양자암호키 분배는 고차원 양자상태 코딩을 이용해 단일 양자상태에 1비트 이상의 고전적 정보를 탑재할 수 있기에 보안암호키 생성률을 효과적으로 향상시킨다. 또한 보다 높은 시스템 오류율을 허용할 수 있으므로 잡음방지 능력이 더 강하다. 뿐만 아니라 BB84 프로토콜 등 일반적으로 사용하는 2차원 양자상태 부호화/복호화 기술에 비해 광자 궤도각운동량 등 고차원 양자상태의 고충실도, 고속 부호화/복호화 구현의 어려움이 더 커졌다. 이런 원인으로 기존의 고차원 양자암호키 분배 기술은 아직도 원리검증 단계에 머물러 있다. 해당 기술의 실용화 발전을 제한하는 핵심문제는 고차원 양자상태 생성, 전송, 측정이다. 연구팀은 광자의 편광-궤도각운동량 불가분리 상태에 기반해 편광/궤도각운동량 2자유도 간 상태 매핑방법 및 구현 방안을 제안했다. 아울러 고차원 양자상태 고정밀도 생성 및 측정을 구현했다. 해당 방안은 광자 편광 상태를 제어함과 동시에 매핑장치를 통해 광자의 궤도각운동량 양자상태를 고정밀도로 제어할 수 있다. 이로써 고충실도 정보 탑재 및 추출을 구현한다. 기존 기술에 비해, 해당 방안의 최대 장점은 부호화/복호화 과정에 광자상태 간섭 제어가 필요 없다는 점이다. 따라서 매우 낮은 백그라운드 오류율과 뛰어난 안정성을 보유한다. 해당 방법에 기반해 달성한 고차원 QKD 시스템의 평균 오류율은 0.6%±0.06% 밖에 안 된다. 또한 상관성이 낮은 광원을 이용해 1.849비트/펄스(이론적 한계 2비트/펄스)의 고수준 선별 후 보안암호키 전송률을 달성했다. 동 시스템은 광자의 편광 상태 제어만 이용하기에 2차원 양자암호키 분배 시스템과 동일한 높은 작동효율을 달성할 수 있어 응용 전망이 밝다. 해당 연구는 고차원 양자암호키 분배와 관련한 상태 생성 및 상태 측정의 2가지 어려움 해결에 효과적인 아이디어를 제공했다. 뿐만 아니라 고차원 양자암호키 분배 기술의 실용화를 적극 추진하는 역할을 한다.

중국과기대, 최초로 양자 조향 타원체 실험적 검증

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최근, 중국과기대 궈광찬(郭光燦) 연구팀, 리촨펑(李傳鋒)/황윈펑(黃運鋒) 연구팀, 호주 연구팀은 공동으로 최초로 양자 조향(Quantum steering) 타원체를 실험적으로 검증함과 아울러 해당 타원체의 체적 단일 매칭성을 검증하였다. 해당 연구성과는 "Physical Review Letters"에 게재되었다. 양자 조향 개념은 슈뢰딩거가 최초로 제안하였다. 그 내용을 묘사하면 Alice와 Bob등 2명의 관측자가 1개의 양자얽힘 상태를 공유하는 조건에서 Alice가 해당 큐비트를 측정할 수 있다면 Bob의 큐비트를 임의의 원하는 양자 상태에 제작할 수 있다. 양자 비국소성은 양자 시스템의 독특한 특성이며 양자 조향은 현재 광범위하게 연구되고 있는 양자 비국소성이다. 공유 양자 상태의 비이상적 또는 다자 간 양자 상태를 공유하는 상황에서 Alice는 Bob의 시스템을 임의적 양자상태에 조향할 수 없다. 이때 Alice가 조향할 수 있는 Bob의 양자상태 집합은 Bloch 표시에서 1개의 타원체를 구성한다. 일반적으로 단일 비트 양자상태를 블로흐 스피어(Bloch sphere) 중 1개 벡터로 가시화 표시할 수 있지만 양자 조향 타원체는 2비트 양자상태에 1개의 간단한 가시화 표시 방법을 제공한다. 다자 간 양자상태를 공유하는 상황에서 양자 조향 타원체는 체적 단일 매칭성을 보유한다. 연구팀은 실험 광경로의 교묘한 설계를 통하여 광학 시스템에서 파라미터 조절 가능한 3비트 양자얽힘 상태를 제작하였다. 제작한 다양 유형의 얽힘상태는 양자 조향 타원체 검증 및 해당 타원체의 단일 매칭성을 검증하는 이상적인 플랫폼이다. 연구팀은 또한 광자의 편광 및 경로 자유도를 이용하여 고순도 고계수율 기반의 3비트 얽힘 순수상태를 제작하였으며 실험을 통하여 얽힘 순수상태의 조향 타원체 체적단일 매칭성을 검증하였다. 이 외에 연구팀은 심층적인 실험을 통하여 순수상태의 체적 단일 매칭 관계가 혼합상태에 적용되지 않음을 입증하였다. 타원체의 체적은 기준계의 선택에 의존하지 않기에 해당 연구성과는 양자 조향 비국소성에 대한 이해를 증진시켰을 뿐만 아니라 양자 조향 타원체를 기존계와 관련성이 없는 양자 관련 진단 도구로 선정하는데 기반을 마련하였다.

중국과기대, 싱크로트론 방사광원으로 가수분해에 의한 수소 분해 최적 방안 추적

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최근, 중국과기대 국가싱크로트론방사실험실 웨이스창(韋世強)/야오타오(姚濤) 연구팀은 화학·재료과학대학 양진룽(楊金龍) 연구팀과 공동으로 원위치 싱크로트론 방사선 XAFS(X선 흡수 미세구조)기술을 개발함과 아울러 이론 계산을 결합하여 세계 최초로 전기촉매에 의한 수소 발생 반응 과정에서 코발트 기반 촉매 소재 활성 위치의 진실한 구조 및 동적 진화 과정을 정밀하게 감별하였다. 해당 성과는 촉매반응 과정의 비밀 규명, 에너지 전환 효율 향상에 유력한 방안을 제공하였다. 해당 연구성과는 "Nature Catalysis"에 게재되었다. 고효율적이고 풍부한 청정 신에너지 개발은 전세계 관심사로 떠오르고 있다. 물을 분해하여 청정, 무오염, 재생 가능한 에너지-수소를 제조하는 방법은 실현 가능한 방안이다. 해당 과정에 촉매의 사용은 필수적이다. 촉매는 에너지 전환 가속화 및 고효율적 완성을 구현할 수 있을 뿐만 아니라 에너지 전환 효율을 향상시킬 수 있는 핵심이다. 그러므로 촉매반응 과정의 비밀을 밝혀내고 실제 작용 상태에서 촉매소재의 진실한 구조 해석은 과학계 및 산업계의 관심사로 되고 있는 프런티어 핫이슈이다. 촉매반응 과정은 일반적으로 소재의 표면/계면에서 발생한다. 그러나 산업에서 실제 응용하는 전기촉매에 의한 에너지 전환 반응 환경에서 촉매와 전해질 용액이 접촉하는 고체-액체 표면/계면 위치의 활성중심 및 흡착 반응물질의 농도가 아주 낮고 또한 활성 위치 구조가 외부 전기장에 따라 동적 변화되기에 진실한 반응 활성 위치의 구조 및 중간과도 상태 탐측은 아주 큰 어려움을 가져다준다. 고휘도 기반 선진 싱크로트론 방사광원은 전기촉매에 의한 에너지 전환 메커니즘 문제를 연구하는데 수단을 제공하였다. 고민감도 싱크로트론 방사선XAFS 기술로 "작용 상태" 촉매의 "일거일동"을 원위치 실시간으로 온라인 탐측할 수 있다. 연구팀은 허페이(合肥), 베이징 및 상하이 싱크로트론 방사광원을 이용하여 테스트 장비를 구축하고 고균일 코발트 기반 단일 원자 촉매의 알칼리성 전기촉매에 의한 수소 발생 반응 환경 조건에서 원자 및 전자 구조의 변화 과정을 실시간 모니터링하였으며 코발트 원자 위치의 전기촉매에 의한 수소 발생 반응 과정에서 고유 활성 구조 및 발생한 구조 재조합을 명확하게 추적하였다. 상업용 귀금속 백금-탄소 촉매(Pt-C catalyst)는 고효율 안정적인 수소 발생 소재로 인정받고 있다. 연구 결과, 코발트 기반 촉매의 성능 및 안전성은 상업용 귀금속 백금-탄소 촉매에 접근하지만 원가는 해당 촉매의 절반도 되지 않기에 잠재적인 광범위한 응용 전망이 있다. 연구팀은 원위치 싱크로트론 방사선 분광학 기술을 이용하여 전기촉매 반응 과정에서 활성위치의 고민감성을 발견하였으며 실제 작용 상태에서 촉매의 진실한 역할을 규명하였다. 해당 기술은 또한 기타 광전기 에너지 전환 반응에서 촉매 소재 표면/계면의 동적 과정 연구에 적용되며 해당 발견은 원자 규모에서 촉매 활성 중심 구조 및 반응 메커니즘을 연구하는데 실험 기초 및 이론 지침을 제공하였을 뿐만 아니라 향후 고효율 에너지 전환 소재 설계에 새로운 아이디어를 제공하였다.

샤먼대학, 단일분자 트랜지스터에서 전자의 양자간섭 효과 발견

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최근, 샤먼(廈門)대학 고체표면물리화학 국가중점실험실 훙원징(洪文晶) 연구팀, 영국 랭커스터대학(Lancaster University) Colin Lambert 연구팀, 상하이(上海)전력대학 천원보(陳文博) 연구팀은 세계 최초로 단일분자 전기화학 트랜지스터에서 전자의 양자간섭 효과를 공동으로 발견하였으며 이를 토대로 양자효과 기반 고성능 단일분자 전기화학 트랜지스터를 개발함으로써 컴퓨터 칩의 실로콘 기반 반도체 소자 물리적 한계를 초월하는데 새 아이디어를 제공하였다. 해당 연구성과는 "Nature Materials"에 게재되었다. 기능성 전자소자의 소형화는 정보기술 발전의 주요 추세이다. 반도체 산업의 발전에 따라 집적회로 칩의 트랜지스터 집적도는 높아졌고 사이즈는 작아졌으며 칩 작동속도는 빨라졌다. 그러나 전통적인 실리콘 기반 트랜지스터 사이즈는 이미 한계에 도달하였기에 트랜지스터의 사이즈를 한층 더 감소시키기 위해 단일 유기분자를 기반으로 실리콘을 대체하여 트랜지스터 소재로 하는 것은 전자소자 소형화를 구현하는 잠재적 기술 방안으로 되었다. 단일분자 트랜지스터의 개폐 비율이 비교적 낮은 원인으로 소자의 성능을 심각하게 제한한다. 단일분자 소자에서 전자가 단일분자 소자의 다양한 전자 수송 채널을 통과하는 과정에서 위상차가 존재하기에 양자간섭을 증가·상쇄시키는 효과가 나타나는데 이는 나노미터-서브나노미터 척도 전자 수송의 독특한 효과이다. 분자 구조가 유사한 상황에서 상쇄 양자간섭 효과를 보유한 분자는 상쇄 양자간섭 효과를 보유하지 않은 분자에 비하여 전자 수송 능력에서 수량급 차이가 있을 수 있다. 연구팀은 최초로 집적화 전기화학적 게이트 제어 기반 단일분자 전자소자 테스트 칩 기술 및 과학적 기기 방법을 구현함과 아울러 실내에서 최초로 단일분자 전자소자 중 양자간섭 효과의 반공진 현상 직접 관측 및 조절을 구현하였으며 전통적 단일분자 트랜지스터 개폐 비율에 비하여 수십 배 높은 단일분자 전기화학 트랜지스터를 획득하였다. 이는 양자간섭 효과 기반 새로운 분자 소재 및 소자 제작에 중요한 의미가 있다.

4세대 고성능 싱크로트론 복사 광원의 예비연구 검증장치에 3.2억 위안 투입

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2019년 1월 31일, 국가 중대 과학기술 인프라 시설인 세계 최첨단 4세대 광원인 고성능 싱크로트론 복사 광원의 예비연구 검증장치가 베이징에서 국가검수에 통과되었다. 이는 2019년 중반 베이징 화이러우(怀柔)과학성에 구축될 고성능 싱크로트론 복사 광원이 기술적으로 가능하며 또한 고성능 싱크로트론 복사 광원 구축에 요구되는 각종 첨단 설비 장치도 산업 제조 능력을 갖추었음을 의미한다. 고성능 싱크로트론 복사 광원은 프런티어 기초과학, 공학물리 및 공학소재 등 전략적 첨단기술 연구에 필수적인 수단일 뿐만 아니라 해상도가 아주 높은 대형 "현미경"이다. 현재 중국은 베이징 전자-양전자 충돌기 기반 싱크로트론 복사 장치, 허페이(合肥) 광원, 상하이 광원 등 3개 싱크로트론 복사 광원을 보유하고 있다. 이들은 중국 3세대 광원 기술 수준을 대표한다. 4세대 광원은 3단계 발전을 경과하였다. 4세대 광원과 3세대 광원 사이의 주요 구별은 발광 광원의 전자빔 스폿(Electron beam spot) 사이즈 및 전자 발산 수준이다. 4세대 광원은 3세대 광원에 비하여 명도(Brightness)가 2개 수량급(100배) 향상되어 재료의 내부 구조를 더욱 현명하게 관찰할 수 있는데 이는 재료과학 및 생명과학 발전에 중요한 역할을 일으킬 전망이다. 하지만 4세대 광원의 일부 설비에 관한 제조 경험이 없고 일부 설비는 오직 이론적으로만 존재한다. 이에 중국은 2013년부터 3.2억 위안(한화 약 531억 위안)을 투자하여 4세대 광원의 예비연구 장치인 고성능 싱크로트론 복사 광원 장치(HEPS-TF)의 기술 방안 실행가능성 검증에 착수했다. 중국과학원 고성능물리연구소와 베이징대학의 HEPS-TF 프로젝트팀은 고성능 가속기, 광속빔 및 실험실의 핵심 난제를 해결하여 여러 프로토타입을 개발했는데 이는 화이러우에 구축할 광원의 실행가능성을 제공했다. 연구팀은 최초로 초고 기울기(80T/m) 사극자 자석, 대간극 고자기장 세기(2.6T) 초전도 위글러(Wiggler) 및 나노초급 쾌속 펄스 임팩터(Impactor) 시스템을 성공적으로 개발하였고 300A 고정밀도 전류센서 및 디지털 빔 위치 측정 전자학적 시스템을 자체로 개발하였다. 그리고 세계 첫 166MHz 가속전자의 1/4 파장 초전도 프로토타입 캐비티를 성공적으로 개발하여 초고온, 고부하, 대변형 및 다중 환경요인 결합 등 원위치 환경 및 싱크로트론 복사 실험 기술 통합화 핵심기술을 파악하였다. 이외에 자체로 설계한 2차원 X선 픽셀 배열 탐측기는 중국이 첨단 X선 탐측기 연구개발에서 거둔 중대한 성과이다.

난징대, 최초로 바일 반금속의 카이랄성 자기효과 관측

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최근 난징대학 위양(於揚) 연구팀은 홍콩 연구팀과 공동으로 초전도 양자회로를 이용하여 바일 반금속의 에너지띠(Energy band)를 최초로 시뮬레이션하였고 이를 기반으로 바일 반금속의 카이랄성 자기효과(chiral magnetic effect)를 구현하였다. 연구팀은 초전도 회로시스템을 인공 원자로 이용하여 마이크로파 필드와 결합시킴으로써 바일 반금속을 표현하는 2개 에너지띠 모형을 성공적으로 시뮬레이션하였다. 또한 입방격자의 준운동량 공간(Quasi-Momentum space)을 마이크로파 필드 모수공간(parameter space)에 정확하게 매핑시켰다. 뿐만 아니라 초전도 큐비트 정밀 제어 및 측정 기술을 사용하고, 마이크로파 필드 파라미터(진폭, 주파수, 위상)를 끊임없이 조절해 상응하는 에너지 스펙트럼을 측정함으로써 바일 반금속 제1브릴루앙 대역(First Brillouin zone)의 에너지띠 구조를 시뮬레이션하였다. 상기 연구를 기반으로 외부 펌프 마이크로파 필드 진폭 및 주파수 제어를 통해 위상전류와 바일점(Weyl point)의 에너지 차는 자기유도 강도와 정비례함을 관측하여 이론적으로 예언한 높이와 일치한 결과를 얻었다. 즉, 초전도 양자회로를 이용하여 실험적으로 바일 반금속의 카이랄성 자기효과를 직접 구현하였다. 바일 반금속의 물성 연구는 응집물질물리학의 선도 연구과제이다. 그중 바일 반금속 재료의 카이랄성 자기효과는 이론적 예언에서만 존재하였다. 재료 제조의 어려움 및 특성화 수단의 부재로 현재까지 실험실에서 손지기 자기효과를 직접적으로 관측한 바 없다. 해당 성과는 초전도 양자회로를 이용한 위상재료의 물리적 성질 탐구에 성공적인 모범사례를 제공하였다.