My area of interest is low-temperature correlated electron systems. At low temperatures, thermal fluctuations are strongly suppressed, allowing us to investigate intrinsic electronic interactions and quantum phenomena such as the quantum Hall effect, superconductivity, and correlated states in two-dimensional materials.

However, studying these systems requires not only extremely low temperatures but also highly sensitive measurement techniques capable of resolving small electronic signals on the nanoscale. To investigate such phenomena, I am particularly interested in scanning probe microscopy (SPM), together with complementary techniques such as nano-patterned transport measurements and other local probes of electronic properties.

I am particularly excited about the research potential of my cryogenic SPM project. One of the major strengths of SPM is its versatility: by changing the probe, excitation scheme, or detection method, the same platform can be adapted to measure a wide range of physical properties, including surface topography, electrostatic potential, conductivity, magnetic response, and local electronic structure. This ability to directly visualize spatial variations in electronic properties is especially valuable for correlated electron systems, where nanoscale inhomogeneity, domains, and local symmetry breaking often play an essential role.

My current research focuses on Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM), an SPM technique that measures the local contact potential difference between a conductive probe and a sample. By detecting the electrostatic force between the probe and the sample and applying feedback to compensate for this interaction, KPFM can map local variations in electrostatic potential with nanoscale spatial resolution. When combined with electrostatic gating, these measurements can provide information beyond simple surface potential, including changes in the local chemical potential and electronic compressibility.

This capability is particularly useful for studying graphene and other two-dimensional heterostructures. By measuring how the local potential evolves as the carrier density and electric displacement field are tuned, cryogenic KPFM can probe spatial variations in electronic structure associated with different stacking configurations, electronic domains, and interaction-driven states. Furthermore, the derivative of the chemical potential with respect to carrier density is directly related to electronic compressibility and provides information closely connected to the density of states.

My research therefore focuses on developing a highly sensitive cryogenic KPFM platform and applying it to low-dimensional quantum materials. By combining low-temperature scanning probe microscopy with electrical gating and transport measurements, I aim to spatially resolve the electronic properties of correlated systems that are difficult to access using conventional bulk measurements. Ultimately, I hope to establish cryogenic KPFM as a versatile local thermodynamic probe for investigating quantum phases and strongly correlated electron phenomena in two-dimensional materials.

저의 주요 관심 연구 분야는 저온 상관전자계(low-temperature correlated electron systems)입니다. 저온에서는 열적 요동이 크게 억제되기 때문에 양자 홀 효과, 초전도, 그리고 이차원 물질에서 나타나는 다양한 상관 전자 상태와 같이 전자 간 상호작용에 의해 발생하는 본질적인 양자 현상을 보다 직접적으로 연구할 수 있습니다.

하지만 이러한 시스템을 연구하기 위해서는 극저온 환경뿐만 아니라, 나노미터 수준의 공간 분해능으로 매우 작은 전자적 신호를 측정할 수 있는 고감도 측정 기술이 필요합니다. 저는 이러한 현상을 연구하기 위한 방법으로 주사 탐침 현미경(Scanning Probe Microscopy, SPM)에 특히 관심을 가지고 있으며, 나노 패터닝된 수송 측정과 같은 다양한 전기적 측정 방법을 함께 활용하고 있습니다.

제가 극저온 SPM 연구에 특히 큰 가능성을 느끼는 이유는 SPM이 매우 다양한 물리량을 측정할 수 있는 플랫폼이기 때문입니다. 탐침의 종류, 여기 방식, 그리고 검출 방식을 변화시킴으로써 하나의 측정 플랫폼을 이용하여 표면 형상, 정전기적 전위, 전도도, 자기적 응답, 그리고 국소적인 전자 구조 등 다양한 물리적 특성을 측정할 수 있습니다. 이러한 국소 측정 능력은 나노미터 스케일의 불균일성, 도메인 구조, 그리고 국소적인 대칭성 깨짐이 중요한 역할을 하는 상관전자계를 연구하는 데 특히 유용합니다.

현재 제 연구는 SPM의 한 종류인 Kelvin Probe Force Microscopy(KPFM)에 초점을 맞추고 있습니다. KPFM은 전도성 탐침과 시료 사이의 국소적인 접촉 전위차(contact potential difference)를 측정하는 기법입니다. 탐침과 시료 사이에 작용하는 정전기적 힘을 검출하고, 이를 피드백을 통해 상쇄함으로써 시료의 국소적인 정전기적 전위 변화를 나노스케일의 공간 분해능으로 이미징할 수 있습니다. 특히 전기적 게이팅과 결합하면 단순한 표면 전위뿐만 아니라 국소적인 화학 퍼텐셜(chemical potential)의 변화와 전자 압축률(electronic compressibility)에 관한 정보까지 얻을 수 있습니다.

이러한 특성은 그래핀을 비롯한 이차원 헤테로구조를 연구하는 데 매우 유용합니다. 캐리어 밀도와 전기적 변위장(displacement field)을 조절하면서 국소 전위의 변화를 측정하면, 서로 다른 적층 구조, 전자적 도메인, 그리고 전자 상호작용에 의해 형성되는 상태에서 나타나는 국소적인 전자 구조의 차이를 공간적으로 관찰할 수 있습니다. 또한 캐리어 밀도에 대한 화학 퍼텐셜의 변화율은 전자 압축률과 직접적으로 관련되며, 이를 통해 상태 밀도(density of states)와 밀접하게 연결된 정보를 얻을 수 있습니다.

따라서 저는 고감도 극저온 KPFM 플랫폼을 개발하고 이를 저차원 양자 물질 연구에 적용하는 것을 주요 연구 목표로 하고 있습니다. 극저온 주사 탐침 현미경을 전기적 게이팅 및 수송 측정과 결합함으로써, 기존의 벌크 측정만으로는 접근하기 어려운 상관전자계의 국소적인 전자 특성을 공간적으로 분해하여 측정하고자 합니다. 궁극적으로는 극저온 KPFM을 이차원 물질에서 나타나는 다양한 양자상과 강상관 전자 현상을 연구할 수 있는 범용적인 국소 열역학적 탐침(local thermodynamic probe)으로 발전시키는 것을 목표로 하고 있습니다.