플라즈마 물리학은 하전 입자의 강한 전자기적 상호 작용 및 그를 통한 에너지 전달, 입자 거동, 그리고 집단적인 유체, 파동 현상을 다루는 학문 분야이다. 밤 하늘의 수많은 별들을 포함하여 눈으로 보이는 우주의 대부분은 플라즈마 상태이며 우리 태양계의 태양, 목성 내부, 금성의 대기의 방전를 포함하여 지구의 자연 현상인 전리층, 오로라, 번개 등도 플라즈마 상태이다. 현대 문명의 근간을 이루는 반도체 산업에서도 플라즈마 공정은 핵심이며 플라즈마 전등은 여전히 수많은 도로 및 건물을 밝히는 역할을 하고 있다. 플라즈마 물리학은 또한 핵무기, 미사일, 위성, 생화학물질 제염 등 군사과학기술의 여러 분야에서 활용되어 왔으며 고온핵융합 에너지 개발의 핵심 분야로서 연구되어 왔다. 최근에는 플라즈마 상태에서 다량 발생하는 활성 입자를 이용한 바이오 관련 기술 개발도 활발하게 진행되고 있다.
이러한 광범위한 플라즈마 물리학의 연구 분야에서 우리 학과에서는 다음과 같은 연구 활동을 벌이고 있다.

강한 자기장 트랩을 이용하여 플라즈마를 잘 가두면 핵융합 반응이 일어나는 수천만도까지 가열할 수 있다. 핵융합 반응을 지속하기 위해서는 플라즈마에서 발생하는 유체 불안정성 및 난류 요동을 방지하거나 제어하여 가둠 상태를 안정적으로 유지하여야 한다. High energy density plasma 연구실에서는 유체 불안정 및 난류의 시공간적 특성을 실험적으로 규명하기 위한 고성능 측정 시스템 및 데이터 분석 툴을 개발하고 있다. 플라즈마 유동으로 인한 비선형 및 비정형 유체 현상에 대한 이론 연구도 병행하고 있다.

고에너지 밀도의 플라즈마는 높은 압력의 행성 중심부에서도 예상되고 있다. 이러한 플라즈마 상태에서는 하전 입자들의 운동에너지 대비하여 위치에너지가 작지 않기 때문에 큰 밀도 요동이 존재한다. 본 연구실에서는 고압의 기체 및 유체에서의 이온화 과정, 클러스터 형성 등 밀도 요동을 수반한 에너지 전달 및 입자의 거동을 연구하고 있다. 또한 고압 플라즈마를 활용한 철강, 반도체 산업 관련 공정 개발도 병행하고 있다.

가속기 물리 Accelerator Physics (정모세)

본 연구그룹은 고도회된 빔 물리 모형 및 수치해석 코드(ML/AI 포함), 첨단 빔 진단 및 제어 장치를 활용하여, 국내외에 건설 또는 운영 중인 대형 가속기의 설계 및 구축, 최적화 및 성능향상에 기여하고, 나아가 지금보다 효율(Brightness, intensity, Accelerating Gradient 등)이 10~100 배 높은 첨단 가속기 개발에 필요한 물리적-공학적 난제에 도전한다. 이러한 첨단 가속기는 핵융합 재료 연구, 원자력 폐기물 처리, 암 치료, 신소재/신약 개발, 우주의 신비 탐구 등 인류가 당면한 여러 문제를 해결하는 데 필수적인 첨단기술이다. 

가속기 물리학은 응용 물리학의 한 분야로서 입자 가속기의 설계, 건설 및 운영 전반을 다룬다. 가속기 물리학은 특수 상대론적으로 가속된 하전 입자 빔의 운동, 제어 및 관측 등에 대해 연구하며, 이들이 가속 장치 및 빔 스스로 내는 전자기장과 상호작용 하는 기작을 깊이 있게 연구한다.