초록 ▼

수 나노 미터 크기의 입자가 보여주는 양자 요동 효과인 거시 양자 투과 현상(Macroscopic Quantum Tunneling, MQT)은 응집 물리 분야에서 이론 및 실험적으로 상당한 관심의 대상이 되어 왔다. 이는 자성체, 초전도체, 양자점 배열 등에서 자기화의 방향, 소용돌이의 위치 변화, 전자들의 이동등에 의한 MQT라는 형태로 나타났다. 그런데 이들 현상이 실험적으로 관측되기 위해서는 에너지 장벽의 높이가 낮고 폭이 좁아야 되며, 나노계 동역학에서의 유효 질량이
작아야 되며, 교차 온도가 실험적으로 관측하기에 너무

수 나노 미터 크기의 입자가 보여주는 양자 요동 효과인 거시 양자 투과 현상(Macroscopic Quantum Tunneling, MQT)은 응집 물리 분야에서 이론 및 실험적으로 상당한 관심의 대상이 되어 왔다. 이는 자성체, 초전도체, 양자점 배열 등에서 자기화의 방향, 소용돌이의 위치 변화, 전자들의 이동등에 의한 MQT라는 형태로 나타났다. 그런데 이들 현상이 실험적으로 관측되기 위해서는 에너지 장벽의 높이가 낮고 폭이 좁아야 되며, 나노계 동역학에서의 유효 질량이
작아야 되며, 교차 온도가 실험적으로 관측하기에 너무 작아서도 않되며, 마찰효과가 커서는
않된다는 것이다. 따라서 이들 조건들이 과연 나노계에서 적절히 만족되어 MQT 현상이 실현
될 수 있을지에 대한 의문에 해결책을 제시하고자 하는 것이 본 과제의 연구 목표이다.
나노 자성체는 그 중 가장 작은 크기인 분자 자성체에서, 실험적으로 양자 뜀 현상과 위상 억
제 현상이 각각 관측되었으나, 현재 이에 대한 이론적 기반은 미비한 상태이다. 그리고 고전
및 양자 효과가 동시에 관측되는 교차온도 근방에서 이들 물질이 나타내는 상전이 현상에 관
한 연구와, 자구 반전이라는 동역학 과정에서 마찰을 고려할 경우 기존의 미시 자성학 체계에
서는 결핍되어 있는 고전 및 양자적 연결성에 관한 연구는 상당한 관심의 대상이 되어 있다.
따라서 이들 문제들을 입자 사상법, 스핀-결맞음 방법, 대각선화 방법, 섭동법등을 써서 본 과
제에서 다루어 이에 대한 적절한 해결책을 제시하고자 한다. 초전도체에서 소용돌이 양자 동
역학을 기술하는 데 지금까지 도입되어 온 동역학 방정식은 고전적 균형 방정식을 허수 공간
으로 해석 이음한 것으로서 그 미시적 원천이 결핍되어 있다. 따라서 본 과제에서는 이들의
양자론적 근원을 미시적 방정식에 근거하여 접근하고, 이를 바탕으로 소용돌이 MQT 현상을
총체적으로 다루고자 한다. 양자점 배열에서는, 양자점들의 여러 가지 기하학적 배열에서 나
타나는 전자 및 전자-홀 쌍들의 q-MQT 현상을 마스터 방정식과 몬테 카를로 방법을 써서
접근하고, 이를 토대로 하여 이차원 양자점 배열에서의 q-MQT 문제 전반에 대한 물리적 현
상을 기술하고자 한다. 이상에서 살펴본 바와 같이, 본 과제에서는 극미세 구조체인 나노 자
성체, 초전도체 소용돌이, 양자점 배열을 대상으로 하여 거시 양자 현상이라는 공통적 주제
하에서 이들이 보여주는 양자 동역학적 현상에 대한 이론적 정립과, 지금까지 수행되어 온 실
험과 이론의 차이에 대한 물리적 원인을 규명하고자 한다.
나노 자성체 MQT에서는 두 개의 단분자가 쌍을 이루는 이합체에서의 양자 투과 현상에 관한
연구와 반자성체에서 자기장이 횡축 및 종축 방향으로 걸린 경우에 나타나는 양자-고전 상전
이 현상에 관한 연구를 수행하였고, 초전도체 MQT에서는 소용돌이가 보여주는 홀 및 흩어지
기 효과가 고려되었을 경우 양자 동역학 현상이 온도에 어떻게 의존하는지에 관한 연구를 수행
하였으며, 양자점 MQT에서는 결합된 양자점 배열에서 고전적인 단전자 관통 효과와 양자역학
적인 단전자 관통 효과 사이의 상호 경쟁에 의한 특이 효과를 발견하였고 이를 실제 측정할 수
있는 조건을 제시하였다. 또한 결합된 양자점 배열에서의 오오믹 효과를 이용하여 가변 저항
특성을 가지는 단전자 논리 소자 및 회로를 제시하였다.

Abstract ▼

In this proposal we plan to give some explanations on the unsolved problems in
molecular clusters, vortex, and quantum dot, and develop systematic formulation
for the dynamical processes in such systems.
Recently, quantum fluctuations in nano-scale systems, so called macroscopic
quantum

In this proposal we plan to give some explanations on the unsolved problems in
molecular clusters, vortex, and quantum dot, and develop systematic formulation
for the dynamical processes in such systems.
Recently, quantum fluctuations in nano-scale systems, so called macroscopic
quantum tunneling(MQT), have attracted a great deal of theoretical and
experimental interest in condensed matter physics. Such systems are magnetism,
superconductivity and quantum dot, in which the direction of magnetization, the
position of the vortex, and the transfer of electrons can be changed due to the
relevant MQT processes. After the discovery of the quantum jumps and
topological quenching in Mn 12 and Fe 8 which are the smallest magnetic
particles in nanomagnetism, a significant theoretical effort has been mounted to
describe the effect, but the problems remain unanswered. Also, within the
conventional micromagnetism, it is not possible to link the classical dynamical
theory and the MQT theory with dissipation. Therefore, in this proposal we plan
to give some explanations on the unsolved problems in molecular clusters and
develop systematic formulation for the dynamical processes with dissipation, based
on the particle mapping and the spin-coherent-state method. In superconductivity,
quantum vortex dynamics have been developed from the classical dynamical
equation by performing the analytical continuation from real to imaginary time,
whose results are not supported by the microscopic physical origin. Therefore we
propose to solve the Bogolubov-de Gennes equation for the dynamical process in
order to clearly understand the quantum vortex dynamics. In quantum-dot arrays,
we plan to treat the q-MQT phenomena for the two-dimensional arrays which
naturally confine electrons inside by using the Master equation and Monte Carlo
method. In summary, in this proposal we plan to establish the MQT theory for
ultra-small systems which include nanomagnetic particle, vortex in
superconductivity, quantum dots, in order to give some theoretical answers on the
unsolved experimental phenomena.
These results will greatly contribute toward obtaining some clues for the
realization of quantum mechanics in a macroscopic world, which has been difficult
questions over the past 70 years.

목차 Contents

• Ⅰ. 연구계획 요약문...3
• 1. 국문요약문...3
• Ⅱ. 연구결과 요약문...4
• 1. 국문요약문...4
• 2. 영문요약문...5
• Ⅲ. 연구내용 및 결과...6
• 1. 서론...6
• 2. 연구방법 및 이론...7
• 3. 결과 및 고찰...10
• 4. 결론...10
• 5. 인용문헌...11