고체물리 실험분야는 차세대 비휘발성 메모리 소자로 각광 받고 있는 FRAM에 사용되는 강유전체 물질 개발과 강유전성, 강자성, 강탄성의 성질을 동시에 나타내며 향후 신기능 소자개발에 사용될 것으로 기대되는 다강체 물질에 관한 연구 그리고 자기 부상열차, 초전도 자석, 초전도 발전기, 자기부상열차, MRI, 전력 수송체 등에 사용될 것으로 기대되는 초전도체에 관한 연구를 하고 있다. 이를 통해 21세기를 대비하는 신소재 물질 개발 및 특성 연구의 중추적인 역할을 담당하고 있다.

고체분광학 및 재료물리적인 방법으로 다강체(multiferroic material), 강한 상관관계 전자계 등, 금속산화물 신물질의 흥미로운 물리적 성질을 연구한다.
강한 상호작용 전자계의 연구는 초전도체 및 초거대자기저항체 등과 같이 전하의 쿨롱상호작용이 더 이상 섭동항으로 취급될 수 없는 물질들에 대한 연구로서, 기존의 자체충족 밴드계산법으로 풀기 어려운 문제로서, 밀레니엄을 맞은 새 세기의 중요 3대 과제(Physics Today, 고체물리분야)중의 하나인 흥미로운 분야이다. 본 연구실에서는 도체이면서 강자성을 갖는 금속산화물의 신물질을 중심으로, 강상관계에서 하전입자들의 동력학적 성질 및 금속-비금속 전이현상 등을 조사하여 전자구조를 이해하는 연구를 수행한다.
본 연구실의 주된 연구방법은 다음과 같다. 원적외선 분광학, 분광타원해석법, 자기-광학효과 등의 방법을 결합하여 고체의 광학성질을 연구하고, 이를 통해 이들 신물질의 전자구조 및 물리 특성을 이해한다. 재료물리적인 방법으로는 부유용융대(floating-zone)법, 플럭스법, 기체상 수송, 고압 합성, 펄스-레이저-증착, 아크 용융 등의 다양한 첨단 기법을 활용하여, 우수한 물성을 갖는 첨단의 금속산화물 신물질의 단결정을 합성하고 이에 대한 구조적, 전기적, 자기적 성질 등을 연구한다. 또한, 국내외의 우수 연구 집단과의 활발한 공동연구를 수행하고 있다.

다양한 박막의 계면/표면의 자기적,전기적, 화화적, 및 구조적 특성연구를 통해서 저차원 물리현상을 실험적으로 이해하려고 한다. 특히 이종접합 박막, 하이브리드 박막의 경계면에서 발생하는 다양한 물리현상 (예: Proximity effects, Interfacial strain, interdiffusion 등)에 의한 박막 소재의 물성 변화에 대한 기초연구를 수행 한다. 대표적인 실험 방법으로는, Kerr effect를 이용한 자성체 박막의 자기광학 효과를 이용한 초미세 박막의 자기적 특성 분석, X선 광전자 분광기(X-ray photoelectron spectroscopy: XPS)를 이용한 계면 및 표면의 원소의 구성 및 화학적 상태 분석, X선 반사율 (X-ray reflectivity)과 회절 (diffraction)을 이용한 박막의 구조 분석, 또한, 편극 중성자(polarized neutrons)를 이용한 자성체박막의 자기적 구조 분석을 들 수 있다. 특히 x선과 편극 중성자를 이용한 반사율 측정을 통한 박막의 구조 분석은 박막의 계면 특성연구에 아주 우수한 연구 방법으로 국내외의 대형 연구시설을 통해서 공동연구로 이루어지고 있다.

에너지 소재로 쓰일 수 있는 복합 물질 (예, 산화물, 질화물 등)의 합성 및 근본 물리/화학적 특성에 대해서 연구한다. 에너지 소재는 에너지 생성 (generation) 혹은 저장 (storage) 소자에 포함되는 소재를 지칭한다. 에너지 소재 연구는 전세계적인 화석 연료의 고갈, 필요 자원의 국한성 등으로 인해 원천 연구가 꼭 필요한 분야이다. 특히, 본 연구팀에서는 새로운 산화물고체연료전지(Solid oxide fuel celles) 양극 소재 및 희토류 저감형 혹은 비희토류 영구자석 (Rare-earth lean or free permanent magnets) 소재 발견 및 기초 물성 연구에 주된 관심을 가지고 있다. 이 연구를 위해서 에피텍셜 박막뿐 아니라 덩치 샘플을 만들 수 있는 박막/결정 성장 장치를 이용하여 물질 합성을 하고, 물질의 전기적, 자기적, 구조적, 전기화학적 특성에 대한 연구를 수행하고 있다. 또한, 연구하는 물질의 구조-물성 상관관계 (Structure-property relationship) 를 깊이있게 이해하기 위해서 가속기 기반의 (실시간) 엑스선 회절/반사, 엑스선 흡수분광, 자기 분광 실험 등을 병행하고 있다.

원자 한 층의 두께를 가지는 단결정(예: 그래핀, 전이금속 이유화 물질 등. 간단하게 2차원계라고 부른다.)에서 새로운 물리현상을 구현하고, 이를 이해/제어하는 연구를 수행한다. 2차원계는 독특한 물리적 성질을 가지는 3차원 물질과 이종접합을 형성하였을때, 2차원계가 독립적으로 존재할 때는 나타나지 않았던 초전도성과 자성 같은 새로우며 복잡한 물리현상이 나타나기도 하고, 원자 한 층 이라는 차원의 특성에 기인하여 그러한 물리 현상의 제어가 아주 손쉬워지기도 한다. 이는 학문적으로는 고체물리학자들의 꿈인 새로운 형태의 강한 전자간의 상호작용이 2차원계에서 구현되고 제어될 수 있다는 뜻이며, 산업적으로는 기존의 소자에서는 가능하지 않았던 새로운 방법의 물리적 특성 제어가 가능해질 수 있다는 뜻이다.
이러한 연구를 수행하기 위해 광전자분광 이라는 실험 기법을 사용한다. 이 방법은 측정하고자 하는 고체물질에 전극을 설치하지 않고서도, 그 물질의 전기적/자기적 특성 연구를 가능하게 한다. 광전자 분광기법을 이용하여 전자/스핀의 에너지와 운동량, 전하/스핀 밀도와 속도와 같은 기본적인 특성을 직접적으로 측정할 수 있으며, 이 결과를 분석함으로써 이 물질의 화학결합이나, 물질 내부에서 일어나는 전자-전자, 전자-이온 상호작용과 같은 다체운동을 이해할 수 있다.

극저온, 고자기장, 고압 등의 극한환경에서 시료의 전기수송현상을 측정하여 물질의 성질을 연구한다. 물질은 온도, 자기장, 높은 압력 등의 외부환경이 바뀌게 되면 구조적으로 변하거나 전자의 에너지 상태가 변하는 등, 변화가 나타나게 되고 전기적 특성도 바뀌게 된다. 이에 따라 금속-초전도 전이, 금속-절연체 전이 등을 비롯한 다양한 상전이현상이 발현되거나 Shubnikov-de Haas 진동현상, 양자홀효과와 같은 양자현상이 나타나게 된다. 따라서 극한환경에서 물질의 연구는 다양한 상에 대한 연구를 할 수 있고 새로운 물성을 발견하게도 한다.
이러한 물질 고유한 특성 연구뿐 만 아니라 전계효과트랜지스터 타입의 반도체 소자의 특성 연구도 병행하고 있다. 특히 최근에는 기능성 산화물 박막을 기반으로 2차원물질을 접합한 소자를 제작하고 다양한 환경에서 동작 특성을 측정하고 이를 분석하였다. 그래핀/기능성산화물(초고유전체, 강유전체) 소자를 다양한 구조로 구현하여 온도, 전기장/자기장의 변화에 따른 전기적 특성을 측정하고 다양한 방향으로의 해석을 통해 산화물 특성의 정량적 분석에 대한 새로운 개념을 도입하였다. 앞으로는 이러한 개념들은 확장하여 다양한 기능성 산화물을 기판으로 사용한 2차원 소자를 제작하고 성능을 분석하여 최근에 활발히 연구되고 있는 스핀트로닉스 (spintronics), 밸리트로닉스 (valleytronics) 등 다양한 개념의 소자를 도출하는 방향으로 연구를 진행하고자 한다.

여러 준입자의 상호작용에 의해 발현되는 양자현상을 보이는 양자물질을 합성하고 물리적 특성에 대해 연구한다. 특히, 최근 양자물질로서 큰 관심을 받고 있는 위상 초전도체를 포함하는 강상관-위상 물질을 집중적으로 연구한다. 이에 본 연구실에서는 단결정성장(Flux Method, Bridgman Method, Chemical Vapor Transport, Arc Melting 등)과 박막성장(Pulsed Laser Deposition, Sputtering)을 포함하는 여러가지 성장 기법을 통해서 양자물질을 구현하고, 극저온, 고자기장, 고압 등의 극한 환경에서 전하수송특성을 측정하여 양자물질의 전자구조에 대해 이해한다. 또한, 국내외의 우수 연구소(예: 미국 및 일본 고자기장 연구소, 미국 오크리지 국립연구소)와의 활발한 교류를 통해 효과적인 공동연구를 수행한다.

펨토초연구실은 초고속 광전자공학(ultrafast optoelectronics), 에너지 소재의 초고속 빛-물질(ultrafast light-matter) 상호작용, 시간 분해 분광법과 현미경을 결합한 펨토초 이미징 기술을 사용하여 캐리어(carrier)와 준입자(quasi-particle) 동역학을 조사하는 연구, 그리고 펨토초 시간 단위에서 에너지와 전하 전달 메커니즘을 연구하는 연구에 중점을 두고 있습니다. 싱글릿(singlet) 분열), 2차원 고온 캐리어 태양 전지, 초고속 광전자 장치, 펨토초 캐리어(carrier) 동역학: 자외선에서 중적외선 범위까지의 비평형 광학 및 전기 과도 현상, 양자 정보, 직류 자기장 내 초고속 자성 광학, 그래핀 및 관련 물질의 포논닉스(Phononics), 2차원 전이 금속 TMD 재료의 엑시톤(Exciton) 등을 연구한다.