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연구실 및 실험실

Optics

  • > 초고속 비선형 광학 연구실 (고도경 교수) [ http://ultrafast.gist.ac.kr ]

본 연구실에서는 공간의 극한에 대비되는 시간의 극한에서 일어나는 현상에 관한 연구를 수행한다. 21세기 과학기술은 빠르게 진보하여 전자에서 빛으로, 나노에서 펨토시대로 진화하고 있다. 본 연구실에서는 이러한 변화를 선도하기 위하여 펨토과학기술로 대표되는 극초단 레이저 및 이를 이용한 비선형 광학 및 응용 기술개발 연구를 수행하고 있다 구체적으로는 새로운 극초단 레이저 개발 및 측정 기술 개발, 극초단 레이저를 이용한 THz 발생, 초고속 분광학, 생체진단용 비선형 라만 현미경 개발등의 연구를 수행하고 있으며, 또한 특이광학(Singular Optics) 연구 분야라고 할 수 있는 분야로서 빛의 궤도각운동량(orbital angular momentum)을 제어할 수 있는 가우시안 빔과 베셀 빔을 이용한 광 격자(optical lattice) 제작, 고대비(high contrast) 현미경 기술 개발 및 표면 플라즈몬(surface plasmon) 거동 연구를 수행하고 있고, 아울러 준정합매질(Quasi-Phase Matched) 비선형 광소자의 제작과 이 소자를 이용한 스패클 저감된 녹색광원 개발을 진행 중이며, 또한 극초단 광원을 이용한 분광학적인 접근법인 TRS(Time-resolved spectroscopy)를 이용하여 소재에서 일어나는 초고속 현상을 규명하는 일도 수행중이다.

  • > 초강력 레이저과학 연구단 (남창희 교수) [ http://corels.ibs.re.kr/html/corels_en/ ]

본 연구단은 기초과학연구원의 광주과기원 캠퍼스 연구단으로 초고출력 레이저를 이용한 강한 레이저와 물질의 상호작용을 연구한다. 본 연구단은 페타와트 (1015 W) 출력의 레이저를 이용하여 상대론 영역에서 일어나는 레이저와 물질의 상호작용에 대한 근본적인 규명과 이를 응용하는 연구를 수행한다. 이러한 매우 강한 레이저 펄스와 물질의 상호작용은 아주 다양한 물리 현상을 수반함으로, 본 연구단에서는 이를 연구하고 규명하여 새로운 여러 물리 분야를 개척할 것이다. 또한 아토초 (10-18s) 펄스의 생성과 이를 활용한 아토초 영역의 초고속 광과학 분야를 연구한다.

- 초고출력 펨토초 레이저
- 레이저 플라스마
- 상대론 영역에서 일어나는 레이저와 물질의 상호작용
- 아토초 영역의 초고속 광과학

본 연구실은 수리 물리학 전반에 관한 연구를 수행하며, 특히 WDM/TDM 방식을 도입한 광통신 기술의 광 공학 기초기술에 대한 연구와 광 집적화, 광통신망 설계에 관한 연구에 주력하고 있다. 이에 대한 연구의 일환으로 현재 본 연구실은 광결정 구조(Photonic crystal) 소자를 이용한 초 집적 광학 소자의 이론, 설계 및 반도체 공정을 통한 prototype의 제작, 반도체 기반의 전자 소자 설계 및 제작에 주력하고 있다. 구체적인 연구 사례로써 광결정 구조를 이용한 WDM용 add-drop 필터의 설계, 디스플레이및 통신용 고 효율 LED의 설계 및 제작, 그리고 quantum well 구조를 이용한 HEMT의 설계, 제작을 들 수가 있다. 또한 다양한 광소자 및 광전자 소자를 위해 개발되어진 device simulation program package를 보유하고 있으며, 이를 통해 다양한 소자의 computer simulation이 가능하며 optical network simulation 분야로 확장하여 광통신 소자 및 network 통합 software package를 개발해 나갈 예정이다. UFON(초고속 광 네트워크 센터:ERC) 프로그램에서는 WDM을 이용한 access network의 물리적 실현에 초점을 둔 수동 광 통신망(PON : passive optical network)의 광소자 및 유무선 ONU(optical network unit)의 광전자소자에 관한 연구를 담당하고 있다. 또한 CHOAN(복합 광 접속 네트워크 센터 : ITRC) 프로그램에서는 광-무선 LAN 핵심 소자 및 부품 기술연구 과제를 실행하고 있다. 실험실 장비로는 능동, 수동 광소자의 특성 분석을 위해 필요한 다양한 측정 장비 및, optical component를 보유하고 있으며, clean-room의 반도체 식각장비와 mark aligning장비를 사용하여 기본 소자제작을 수행하고 있다.

  • > 아토초 과학 연구실 (김경택 교수) [ https://sites.google.com/site/attoscilab ]

본 연구실에서는 초강력 펨토초 레이저로 발생되는 아토초 펄스와 매질 (원자, 분자, 고체 및 나노구조체)의 상호작용으로 일어나는 초고속 현상을 연구한다. 강력한 펨토초 레이저를 매질에 집속하면 고차조화파 발생 (High harmonic generation), 결맞는 반류 발진 (Coherent wake-field emission) 혹은 상대론적 진동 거울 (Relativistic oscillating mirror) 현상 등을 통해 극자외선 혹은 엑스선 영역의 빛을 얻을 수 있다. 이렇게 얻어진 펄스의 시간폭은 수십-수백아토초에 불과해 아토초 펄스라 부른다. 생성된 아토초 펄스를 다시 매질에 집속하여 매질의 초고속 상태변화를 연구한다.

ㆍ주요 연구분야
- 펨토초 레이저 기술 연구
- 아토초 펄스 생성 및 측정방법 연구
- 아토초 펄스를 이용한 초고속 광전자 분광학
- 원자, 분자, 고체 및 나노구조체 내의 초고속 전자 동역학
- 상대론적 영역에서 발생되는 아토초 펄스 연구

계산 광공학은 현대광공학 발전에 중요한 역할을 하고 있다. 본 연구실은 광결정, 메타물질, 플라즈몬닉 구조 등 인공구조물을 이용하여 빛의 전파를 제어하는 방법을 전산모사로 연구하고 있다. 빛의 반도체라 불리는 광결정을 이용하여 반도체에서 전자의 흐름을 제어하는 방법과 유사하게 빛의 전파를 제어하는 집적형 광결정 광소자를 제안한다. 자연계에 존재하는 물질이 갖지 못하는 광학특성 (음의 굴절률이나 제로굴절률 등)을 갖는 메타물질을 전산모사로 구현하여 물리적 한계를 극복하는 새로운 패르다임의 광소자를 제안한다. 금속구조의 플라즈몬 공명을 전산모사로 연구하고 고감도 센서나 회절 한계를 극복하는 플라즈몬 광소자를 제안한다. 또한, 효율적인 빛의 제어 방법을 고효율 테라헤르츠파 광원과 수동소자개발에 응용한다.

ㆍ주요 연구분야
- 계산 광공학 (광결정/메타물질/플라즈모닉스)
- 테라헤르츠파 포토닉스 (시간영역분광/광원/수동소자)

본 연구실은 빛의 비고전적 성질을 갖는 포톤과 물질과의 상호작용을 연구한다. 물질내에서 포톤은 다른 포톤과 상호작용할 수 있는데 이를 이용하여 포톤의 물리적 성질을 제어할 있다. 본 실험실에서는 포톤 스위칭과 변조, 또는 메모리를 포톤 제어 응용 기술로 연구한다. 또한 포톤과 상호작용하는 물질로는 레이저 냉각원자 그리고 반도체 양자우물 구조 또는 양자점을 이용한다. 

ㆍ주요 연구분야
- 비선형 양자광학
- 원자 분광학
- Remote sensing
- 반도체 양자광학

Plasma Physics

  • > 레이저-플라즈마 가속 연구실 (석희용 교수) [ http://lpalab.wix.com/lpal ]

레이저 기술의 급격한 발전은 이제 테이블탑 규모의 소형이면서도 테라와트급의 고출력 레이저를 가능하게 하였다. 그러한 고출력 레이저빔이 집속되면 원자들을 즉시 이온화시켜 플라즈마 상태로 만들어버릴 정도로 강력한 전기장을 가지게 된다. 본 연구실에서는 고강도 레이저빔과 물질 (플라즈마)의 상호작용을 연구한다. 특히, 펨토초 영역의 극초단 테라와트 레이저빔의 초강력 전기장을 사용하여 전자를 비롯한 하전입자들을 매우 짧은 거리에서 상대론적 고에너지로 가속함으로써 고출력 마이크로파를 사용하는 기존의 가속기보다 1,000배 정도 강력한 세기로 가속할 수 있는 새로운 개념의 차세대 가속기 연구에 집중하고 있다. 또한, 이를 이용하여 자유전자 레이저 (free electron laser)나 고에너지 전자빔과의 톰슨 역산란 (Thomson back-scattering)에 의한 펨토초 영역의 극초단 X-ray 펄스 광원 개발에 응용하려고 하는 연구도 진행하고 있다. 이러한 연구를 위하여 고등광기술연구소의 고출력 (100 TW) 레이저 설비를 이용한 실험연구와 대규모 컴퓨터 클러스터를 이용한 레이저-플라즈마 시뮬레이션 및 이론 연구를 병행하고 있다. 본 연구실에서의 연구는 레이저, 플라즈마, 가속기 분야의 복합/융합 학문이며, 연구결과는 물리학, 화학, 생물학, 재료과학 및 나노과학 등의 연구에 활용될 수 있다.

  • > 고에너지밀도물리 및 초고속 X-선 연구실 (조병익 교수) [ http://sites.google.com/site/hedpufx ]

본 연구실에서는 초고속 광원 이용하여 고에너지밀도(>1011 J/m3)상태의 물질의 성질을 원자와 분자 레벨(나노미터,펨토초 혹은 그 이하)에서 측정하고 제어하는 연구에 중점을 두고 있다. 이는 플라즈마와 응집물질 물리,초고속 고출력 레이저와 X-선 과학의 융합 연구분야로써, 레이저를 이용하여 초고온 고압의 고에너지밀도상태를 생성한 후 초고속 광학과 X-선 기술을 이용하여 원자와 전자의 상태 그리고 그에 따른 물리적 특성을 측정하는 연구이다.이를 통하여 물질들이 극한 상태에서 갖는 새로운 성질, 빛이나 다른 입자들과의 기본적인 상호작용 등을 이해할 수 있으며, 이는 핵융합, 천체물리학, 의학 등 다양한 분야에 응용될 수 있다. 또한 새로운 연구를 위한 초고속 레이저와 X-선 광원, 초고속 검출기의 개발도 진행하고 있다.

ㆍ주요 연구분야
- Warm Dense Matter의 전기적, 열역학적 성질
- 초고출력 레이저와 물질의 상호작용
- 자유전자레이저와 비선형 X-선 과학
- 고출력 Near-IR 레이저 개발
- 극초단 엑스레이 광원과 검출기 개발

  • > 레이저 핵융합 연구실 (방우석 교수) [https://sites.google.com/site/laserfusionlab]

물질을 빠르게 가열시키는 다양한 기술들의 발달로 과학자들은 이제 소규모 실험실에서도 핵융합을 일으킬 수 있게 되었다. 하지만 아직 상용화를 위한 단계에는 도달하지 못했으며 이를 위한 많은 기반 연구들이 필요하다. 레이저 핵융합 연구실에서는 고출력 레이저로 물질을 가열하여 순식간에 초고온·초고압 상태의 물질들을 만들어낼 수 있다. 우리는 이들의 상태 방정식 및 여러 특성들을 핵융합 상용화를 위한 기반 연구의 관점에서 조사하고자 한다. 본 연구실은 아주 작은 중수소 표본 (~10 nm 반경의 구체)들의 온도를 1억도 이상으로 가열하는 기술을 가지고 있으며, 이는 실험실에서 핵융합을 일으키기에 충분한 온도이다. 레이저를 이용하여 지속 가능한 핵융합을 일으키는 방법과 그와 관련된 제반 기술들을 연구하는 것이 본 연구실의 목표이다. 

ㆍ주요 연구분야
- 레이저-클러스터 핵융합
- 레이저를 이용한 고에너지 이온 가속 및 Fast Ignition 관련 연구
- 레이저를 이용한 Warm Dense Matter의 생성 및 그 특성 연구
- 초고온·초고압 상태의 물질들의 상태방정식 연구 및 개발

Particle Physics

본 연구실에서는 장론과 끈이론을 기반으로 연구할 수 있는 다양한 이론 물리의 문제들을 다룬다. 최근에 주로 연구하고 있는 분야는 게이지이론과 중력이론의 이중성(gauge/gravity duality)이다. 강한 상호 작용의 현상인 color confinement, chiral symmetry breaking, high Tc superconductor, non-Fermi liquid는 오랫동안 풀리지 않은 난제들이다. 끈이론으로부터 발전된 gauge/gravity duality는 강한 상호작용의 문제들을 공부하는 새로운 도구로써 이러한 난제들을 좀 더 다루기 쉬운 높은 차원의 고전적인 중력 문제로 치환시키는 역할을 한다. 이 방법론을 holographic principle 혹은 holography라고도 한다. 본 연구실에서는 gauge/gravity duality의 이론적 이해와 다양한 현실적인 응용을 함께 연구한다.

ㆍ주요 연구분야
- 게이지이론과 중력이론의 이중성 (끈이론의 응용)
- 강하게 상호 작용하는 계 (응집물리, 핵물리, 양자색역학)

Condensed Matter Physics

  • > 계산물리 및 양자다체이론 연구실 (김동희 교수) [ http://sites.google.com/site/comphysgist ]

양자 자성, 초전도, 초유체 등의 응집물질 현상들은 근본적으로 많은 입자들이 서로 상호작용하고 있는 양자 다체계의 현상으로서, 고체 재료 뿐 아니라 핵물질, 중성자 별에 이르기까지 다양한 물리학 분야의 주요한 관심이다. 본 연구실에서는 이러한 양자 다체계의 기본원리 이해를 위해 동적평균장이론과 몬테칼로방법을 포함한 대규모 컴퓨터계산/이론 연구를 수행한다. 양자 다체계의 계산물리 방법론들은 기초물리학 연구 뿐 아니라 그래핀과 같은 미래 전자소자 연구에 광범위하게 응용된다. 현재 연구의 중점은 극저온 원자 기체의 다체현상이다. 레이저와 자기장으로 포집된 원자 기체는 수십나노켈빈까지 냉각되고, 광학적 방법을 이용한 뛰어난 조작성으로 응집물질물리 연구를 위한 미래의 양자 에뮬레이터 구현 가능성으로 주목받고 있다. 극저온 원자 기체를 이용하여 매우 단순화된 인공의 고체상태를 구현할 수 있고, 그 현상에 대한 이론연구는 실험과 매우 가깝게 비교가능하여 특이한 초전도성, 양자 자성 등의 복잡한 응집물질 현상에 새로운 시각과 이해를 제공할 것으로 기대한다.

ㆍ주요 연구분야
- 양자 다체계 계산물리
- 극저온 원자/분자 기체 이론
- 복잡계 통계물리

본 연구실은 국내의 싱크로트론 X-선 연구분야를 선도하는 연구실로서 X-선을 이용한 다양한 나노현상에 대한 연구를 수행하고 있다. 나노스케일 동역학 연구를 위한 coherent X-선 산란, coherent X-선 나노이미징, 극초단 X-선 시간분해 연구, 비정상 X-선 산란 연구기법 등을 개발하고 있으며 최근에는 sub-나노스케일 파장을 가진 경 X-선을 사용하여 나노스케일 패터닝 기술을 개발하는 연구를 수행하여, 가시광선 및 자외선 등을 이용한 lithography 기술의 한계를 극복하는 연구를 진행하고 있다. 또한 본 연구실에서는 표면 및 계면에 형성되는 나노구조물의 형성 과정의 동역학적 성질을 규명하고, 형성된 나노구조물의 물리적 성질을 연구한다. 초고진공 하에서 Evaporation 증착이나 Sputter Erosion을 이용하여 형성되는 각종 나노구조연구를 연구하고 질화물 반도체 박막을 기초로 한 III-V족 등 광소자용 반도체 양자구조에 대한 연구를 수행하고 있다.

ㆍ주요 연구분야
- Coherent 방사광 X-선을 산란을 이용한 나노스케일 X-선 이미징
- 극초단 X-선 및 방사광 X-선을 이용한 나노스케일 동역학 연구
- X-선 나노 스테일 패터닝 및 리소그라피
- 표면 및 계면의 나노스케일 현상 연구
- III-V 족 반도체 소자 구조 및 결함 연구

  • > 광전자분광학 연구실 (문봉진 교수) [ http://sites.google.com/site/gistesca ]

본 연구실은 표면/계면에서 일어나는 물리적/화학적 현상을 연구하는 실험실이다. 방사광가속기에 기반을 둔 광전자분광기를 사용하여 표면의 전자구조와 화학적 반응간의 상관관계를 밝히는 것을 연구의 중점으로 두고 있다. 본 연구실에서는 배터리 소재, 촉매 재료등 차세대 에너지 소재의 표면/계면 연구에 중점을 두고 있으며, 특히 상압 광전자 분광기를 이용한 실시간 표면반응역학을 연구하고 있다.

ㆍ주요 연구분야
- 연료 전지 응용을 위한 Pt를 기반으로 한 전이금속합금 연구
- 상압 광전자 분광기를 이용한 gas/solid & liquid/solid 계면 연구
- 상압 조건에서의 합금 표면 segregation 현상 연구
- 금속 산화물의 금속-절연체 전이 현상 연구
- 금속 산화물의 광촉매 반응 연구
- ARPES를 이용한 표면 전자 구조 연구
- HR-XPS를 이용한 금속 표면의 기체 흡착 상태 연구

  • > 응집물질물리 광학연구실 (이종석 교수) [ http://sites.google.com/site/optogist1 ]

응집상태 강상관계 물질들은 전자, 스핀, 격자, 오비탈(궤도함수)과 같은 기본 자유도들을 지니며 이러한 양자적 자유도들의 복합적인 상호작용에 기인하는 금속/비금속/초전도,(반)강자성, 강유전성, (반)강자성과 강유전성이 동시에 일어나는 다강성과 같은 다양한 특이 현상들을 나타낸다. 이러한 흥미로운 현상의 새로운 발견 및 이해는 지적 호기심의 충족을 넘어 인류 발전의 중요한 원동력이 되고 있다. 본 연구실에서는 빛과 물질의 상호 작용을 이용한 분광학 접근방법을 통해 응집물질계에서 나타나는 주요 전기/자기 현상들에 대한 근원적인 이해를 도모하고, 이를 바탕으로 광학/전기/자기 관련 신물질을 개발하고 나아가 차세대 기능성 소자의 구현을 목표로 한다. 현재 펨토초 레이저 및 푸리에 변환 분광기 등의 소형 장비와 더불어 강력한 세기의 테라헤르츠-적외선 빛을 제공하는 거대 가속기 시설을 이용한 선형/비선형 분광학(공동)실험을 통해 다음과 같은 주제에 대한 연구를 진행하고 있다. (ⅰ)모트 금속-비금속 상전이에 대한 근원적인 이해를 바탕으로 스위칭/메모리 소자 및 태양전지 개발에 기여한다. (ⅱ)스핀-오비탈 상호작용과 관련한 스핀트로닉스 연구를 통해 non-dissipative소자 개발을 도모한다. (ⅲ)전기/자기적 정렬 상태를 지닌 물질들의 인공적인 계면에서의 물성을 미시적인 관점에서 이해하고 이를 바탕으로 자기장을 이용한 전기적성질의 제어, 전기장을 이용한 자성 제어가 가능한 능동 소자를 개발한다. (ⅳ)강력한 테라헤르츠파를 이용해 전기적/자기적 물성을 제어하는 새로운 메카니즘을 제시한다.

차세대 정보 소자의 궁극적인 목표는 정보의 저장 및 연산 등의 정보 처리 과정을 단일 전자, 광자, 스핀 등을 써서 이들의 양자역학적인 상태를 구현하고 이를 제어하는 양자정보소자 기술이 될 것이다. 물리적으로 영차원(양자점), 일차원(반도체 나노선), 또는 이차원(그래핀, 다이칼코게나이드 나노박막)의 특징을 갖는 나노구조체는 원자 수준의 결정 성장과 여러 물질들의 인위적인 조합 및 첨가 등을 통해 다양한 물성 구현이 가능하다는 장점을 갖는다. 또한, 극저온에서 양자 구속(quantum confinement) 및 양자역학적인 위상 결맞음(phase coherence) 현상을 드러낸다는 점에서 저차원 양자계의 특징을 갖는다. 나노구조체가 갖는 중시계(mesoscopic system)적인 특성과 고유의 반도체 물성을 적절하게 결합시킴으로써, 실리콘 기술에 기반하고 있는 기존의 전자정보소자의 한계를 극복할 수 있는 새로운 차세대 정보 소자를 개발할 수 있을 것으로 전망된다. 본 연구실은 반도체 나노선 및 그래핀 등으로 대변되는 나노구조체의 양자 전도 특성을 초전도체 또는 자성체의 응집 물성과 결합한 새로운 개념의 응집상 양자정보소자를 개발하는 것을 주요 연구 목표로 삼는다.

  • > 계산응집물질물리학 연구실 (유운종 교수) [ http://sites.google.com/site/ccmpgist/ ]

본 연구실에서는 DMFA, DCA,완전 대각화, 양자 몬테카를로 등의 방법을 사용하여 강상관계 물질의 물성을 이론적으로 연구하고 있다. 강상관계는 학문적으로도 중요한 주제이지만 실용적으로도 매우 중요하다. 강상관계 물질은 응집물질 물리학에서 매우 활발한 연구 분야이며, 이 연구 분야는 고온 초전도, 무거운 페르미온 현상, 자성, 양자 특이점 등의 주제를 포함한다.

ㆍ주요 연구분야
- 허바드 모델과 주기적인 앤더슨 모델 등의 다체 모델과 기능성 자성 물질
- 무거운 페르미온계
- 모트 절연체
- 고온 초전도체

본 연구실의 고나심사는 나노스테일에서의 물리현상이다. 특히 system의 크기 뿐 아니라, 외부에서 가해줄 수 있는 전기장이나 자기장을 이용해 전자가 존재할 수 있는 영역을 저차원으로 제한하게 될 때, 전자의 수송이 물질에 특성에 대비해 어떤 특수성을 보이는가가 주요 관심사이다. 저차원계에서의 전자의 수송은 양자적인 효과에 의해 주도되게 되는데 이러한 양자 효과가 강상관계의 특성을 가지는 물질 내에서 어떻게 달라지는가를 통해 물질의 특성을 연구하게 된다. 저차원 영역에서의 물리는 그 특수성에 의해 예측 범위를 벗어나는 특수성을 보이는 경우가 많으며, 본 연구실에서는 이러한 특수한 성질을 미래의 기술과 연결해 갈 수 있는 연구를 수행하는 것을 그 주목적으로 하고 있다. 주요연구분야는 다음과 같다.
1. FET의 active region에 해당하는 소자를 공중에 띄워 소자의 전기적 특성을 극대화하는 소자 제작 방식의 확립
2. nanoscale FET set-up을 이용한 저차원계 소자의 전기적 특성 실험
3. power transistor 소자 효율을 높이기 위한 조성비에 따른 전기적 특성 연구

본 연구실에서는 몬테카를로 방법론을 개발하고 그 방법론을 활용하여 여러 물리 문제를 해결하는 연구를 수행한다. 그 중에서도 아이징 모델, 양자역학적 전자구조 계산, 첫통과/마지막 통과 알고리즘, 분산 컴퓨팅에 관심을 가지고 연구를 수행한다.

ㆍ주요 연구분야
- 정전 전자기학(Static Electromanetism) 문제인 도체나 유전체 표면에 유도되는 전하 밀도를 계산하기 위하여 Diffusion Monte Carlo 프로그램인 First-passage와 Last-passage 알고리즘을 개발
- 아토초 펄스 생성 및 측정방법 연구
- Wang-Landau 알고리즘과 Yang-Lee 영점 이론을 중심으로 Ising 모델의 상전이 현상 연구
- 네트워크 모델을 기반으로 한국 이야기문학의 특성을 파악하는 연구