전통적인 응집물질 물리연구가 주로 열평형 상태의 양자역학에 중점을 두고 있다는 관행을 깨고, 최근에는 비평형 상태에서 나타나는 새로운 물성에 대한 기초연구가 중요한 패러다임으로 대두되고 있습니다. 특히, 시간주기적 포텐셜에 의해 생성되는 플로켓(Floquet) 상태뿐만 아니라 동적 국소화, 광자를 입힌 위상상태, 시간결정 등이 최첨단 물리연구의 주제로 떠오르고 있습니다. 극저온 양자기체, 나노광학, 초고속 광학 등 다양한 연구 플랫폼에서 비평형 양자상태에 대한 연구가 빠르게 진전되고 있음에도 불구하고, 닫힌계에 외부자극이 가해질 때 발생하는 급격한 온도 상승 문제와 높은 주파수의 빛에 의한 펨토초(fs) 단위의 매우 빠른 동역학으로 인해 새로운 비평형 양자현상을 관측하고 활용하는 데 한계가 있습니다.

이런 한계를 극복하기 위해 응집물질기반 초전도 소자에서 안드레브 속박상태를 구현하고, 이를 기반으로 구성된 열린계에서 낮은 주파수의 빛을 이용하여 비평형 양자상태를 연구하고자 합니다. 본 연구진은 이 접근법을 활용하여 세계최초로 지속적 비평형 플로켓 양자상태를 구현하고 관측한 바 있으며, 이 선행 연구의 방법론을 기반으로 비평형 응집물질 연구 분야를 개척하고 체계화하여 발전시키고자 합니다. 이러한 플로켓 상태의 “지속성”은 기존 광학 파장에서의 연구와 가장 큰 차이를 보이며, 본 연구진이 개발한 초전도 가장자리 투과 접합의 높은 에너지 분해능 역시 다른 연구 방법과 비교했을 때 강점이라 할 수 있습니다. 좀 더 구체적으로는, 마이크로파 대역의 빛을 사용함으로써 (i) 동역학이 나노초(ns) 수준으로 느려져 실시간 관측이 가능하고, (ii) 초전도 공진회로 기술을 활용하여 마이크로파 편광을 제어할 수 있으며, (iii) 여러 주기성의 빛을 결맞게 합침으로써 준주기적 혹은 비주기적 비평형 상태를 연구할 수 있는 장점이 있습니다.

본 연구의 목표는 마이크로파 대역의 빛과 그래핀 조셉슨 접합소자를 이용한 비평형 양자상태를 연구할 수 있는 새로운 실험시스템을 개발하고, 이를 이용하여 구현 가능한 주기적/준주기적/비주기적 비평형 양자상태를 이론적으로 분류/설계하는 것입니다. 선행 연구의 방법론을 기반으로 지속적 플로켓 소자 기반의 비평형 응집물질 연구의 새로운 패러다임을 열고 양자 상태를 활용하는 새로운 응용으로 연결될 수 있을 것으로 기대합니다.