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물리학과 첨단기술 DECEMBER 201 936
Position and Frequency Controlled Quantum Emitters from WSe2 Monolayers on a Micro-Cantilever
(a) (b) (c)
▲ (a) 실리콘 나노패턴 위 WSe2 monolayer와 단일 광자 측정 결과. (b) 전압 인가 방식의 실시간 단일 광자원 파장 제어. (c) 제작한 위치/파장 동시 제어가 가
능한 양자 광소자 모식도와 실제 제작한 소자 사진.
빛에 대한 인류의 관심은 매우 오래되
었지만 현재에도 매우 중요한 연구 대상
이다. 빛을 이용한 연구는 크게는 우주,
작게는 원자를 관찰하는 데 필수적이며
특히, 레이저의 등장 이후 빛을 제어하고
응용하는 기술은 정보, 국방, 의료 등 다
양한 분야에서 활용되고 있다. 최근에는
빛의 양자화 특성을 기반으로 한 양자 광
학 기술이 등장함에 따라 양자화된 빛을
생성하고 제어하는 기술이 차세대 광기반
양자 정보 연구의 핵심 기술로 떠오르고
있다. 다양한 양자 광원 생성 기술 중 원
하는 시간에 단일 광자 생성이 가능한 단
일 양자 구조 제어 기술, 특히 고체 기반
의 단일 광자원 생성 기술은 기존 나노
광학 기술과 결합하여 빠르게 발전해왔다.
하지만 기존 고체 기반 양자 광원의 경우
고효율, 빠른 방출 속도 등 생성 성능 측
면에서는 눈부신 발전이 있었지만 고체
기반 양자 구조의 문제점인 불균일성으로
인해 위치와 발광 파장의 정밀 제어가 아
직까지 도전과제로 남아 있다. 최근
UNIST 물리학과의 김제형 교수 연구팀
은 기존 양자점, 고체 점 결함이 아닌
원자층 두께의 이차원 반도체 물질 기반
의 위치, 파장 동시 제어 가능한 양자
광원 생성 기술 개발에 성공하였다.
본 연구에서는 WSe2 이차원 단일층
물질과 실리콘 기반의 MEMS 소자를 결
합함으로써 기존 반도체 양자 광원의 위
치, 파장 제어의 어려움을 극복하고자 하
였다. 우선, 원자층 두께의 얇은 이차원
물질은 미세 응력 변화에도 전기적/광학
적 특성이 크게 변하게 되는데, 이 점에
착안하여 실리콘 기판에 나노 패턴을 새
긴 후 이차원 반도체 물질을 패턴 위에
올려놓는 것만으로도 고효율의 단일 광
자원이 원하는 위치에 생성됨을 확인하
였다(그림 a). 실리콘 기판 내 나노 패턴
이 반도체 밴드갭을 이차원 평면 내 국
소적으로 변화시킴에 발생되는 엑시톤(전
자/홀 결합)의 양자 구속 효과를 이용한
것이다. 나아가 본 연구에서는 우수한 실
리콘 MEMS 소자 기술을 이용하여, 전
기적으로 응력의 크기를 제어할 수 있는
micro-cantilever를 제작한 후 생성한
양자 광원 파장을 실시간으로 제어하는
데 성공하였다(그림 b). 그림 c는 micro-
cantilever 기반의 위치, 파장 제어가 가
능한 양자 광원 어레이에 대한 모식도와
실제 제작한 반도체 양자 광소자 사진이
다. 반도체 시료 내 국소 응력 변화는
광원의 파장뿐만 아니라, 편광, 미세 구
조(fine structure) 등 다양한 광학 특성
에 영향을 주는데, 본 연구에서는 응력의
제어를 통해 파장뿐만 아니라 미세 구조
갈라짐(fine structure splitting)의 크기
또한 제어 가능함을 함께 보였다.
본 연구 결과는 원하는 위치에 파장
변화가 가능한 다수의 양자 광원을 집적
소자화 할 수 있다는 점과 함께 고가의
성장 장비와 까다로운 성장 공정 없이도
손쉽게 양자 광원 제작이 가능하다는 결
과를 보여주어 미래 활용 가능한 양자
광원 소자 개발 가능성을 크게 높였다.
하지만 차후 양자 상호작용에 핵심인 긴
결맞음 시간 확보를 위해서는 고체 소자
내 불필요한 상호작용 제거 등은 앞으로
해결해 나가야 할 과제로 남아있다.
김효주, 문종성(UNIST), 노기창, 이지은(아주대), 김제
형(UNIST), Nano Lett. 19, 7534 (2019).
DOI: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b03
421
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물리학과 첨단기술 DECEMBER 201 9 37
Lifshitz-Transition-Driven Metal-Insulator Transition in Moderately Spin-Orbit- Coupled Sr2-xLaxRhO4
▲ Sr2-xLaxRhO4 단결정의 도핑별 전자 구조. (위) 동 에너지 준위 내 전자 구조의 운동량 분포, (아래) ΓΧ
방향 전자 구조의 에너지-운동량 분포.
강한 전자 상관에 의한 모트 금속-비
금속 상전이 현상(Mott metal-insulator
transition)은 전이금속 산화물의 흥미로
운 현상들 중 오랜 기간 동안 연구되어
온 분야이다. 초창기의 모트 부도체(Mott
insulator) 연구에서는, 좁은 밴드 너비
(bandwidth)와 강한 전자 상관 효과가
존재하는 구리, 철 등의 3d 전이금속 산
화물에서 존재하는 비금속 성질이 주로
연구되었다. 하지만, 그 이후 3d 전이
금속뿐만 아니라 스핀-궤도 상호작용
(spin-orbit coupling)이 큰 물질로 알려
진 5d 전이 금속 산화물에서도 모트 부
도체 현상이 발견되었고, 이러한 발견은
이전까지 3d 전이 금속 산화물에 비해
상대적으로 연구가 부족했던 4d, 5d 전
이 금속 산화물의 연구를 촉진시키는 계
기가 되었다. 서울대학교 물리천문학부
김창영 교수 연구팀은 그 중 4d 전이금
속 산화물인 Sr2-xLaxRhO4 단결정 시료
에서 새로운 금속-비금속 상전이 현상을
발견하였다. 이 상전이 현상은 높은 전도
성을 가진 Sr2RhO4에 란타넘(La) 원자를
도핑함으로써 발현되며, 김창영 교수 연
구팀은 각분해 광전자 분광 실험을 활용
해 도핑에 따른 전자 구조를 측정하여
상전이 현상의 진행 과정과 그 원인을
탐구하였다.
이 상전이 현상은 란타넘 도핑 비율(x)
에 따라 그림에서와 같이 페르미 준위에
존재하는 두 개의 서로 다른 밴드(band)
와 (그림 (h))가 각기 다른 진행과정
을 통해 페르미 준위에서 사라지면서 밴
드 갭을 만드는 현상을 통해 발현된다.
란타넘의 치환은 전자의 도핑 효과를 야
기하게 되고, 이는 결과적으로 Sr2RhO4
의 전자구조에 전자를 도핑한 효과를 일
으킨다. 전자가 도핑됨에 따라 밴드는
모두 채워져 페르미 준위 아래로 내려가
게 된다. 반면에, 밴드의 경우 x
0.4 이후에 모트 부도체로 상전이하는
형태로 밴드가 사라짐이 확인되었다.(그
림 (e), (l)) 이후 란타넘 도핑을 통하여
전자를 더 공급하더라도 갭이 더 커지면
서 더 강한 비금속 상태가 되어 가는 것
이 확인되었다.
Sr2-xLaxRhO4에서 관찰되는 이와 같은
금속-비금속 상전이 현상은 일반적인 경
우와 다른 두 가지 특징을 가지고 있다.
첫째로, 상전이 현상이 일어나는 도핑이
x 0.4로, 총 전자의 개수가 정수가 아
니라는 점이다. 일반적인 모트 부도체 혹
은 밴드 부도체(band insulator) 상태에
서는 필수 조건으로서 정수 개의 전자
개수가 필요하다. 하지만 Sr2-xLaxRhO4에
서 발견된 금속-비금속 상전이 현상은
기존의 통념을 벗어난 비 정수 전자 개
수에서 일어난다는 점에서 매우 희귀한
현상이다.
두 번째로, Sr2-xLaxRhO4의 상전이 현
상은 적당한(moderate) 크기의 스핀-궤도
상호 작용이 있어야만 발현될 수 있다는
점에서 여타 상전이 현상과는 다른 점이
다. 해당 연구에서 실험적으로 관측된 바
에 따르면 Sr2-xLaxRhO4에서의 금속-비
금속 전이 현상은 밴드의 채워짐과 밀접
한 관련을 가진다. 또한, 밴드의 에너지
준위는 스핀-궤도 상호작용의 크기에 의
하여 결정된다. 결과적으로, Sr2-xLaxRhO4
에서의 금속-비금속 전이 현상은 3d나
5d 전이 금속 산화물처럼 너무 약하거나
강하지 않은 적당한 크기의 스핀-궤도
상호작용 상황에서만 발현이 될 수 있는
것으로 생각된다.
해당 연구 결과는, 지금까지 잘 연구
되지 않아왔던 4d 전이금속 산화물의 적
당한 스핀-궤도 상호작용에 대한 역할
연구로서의 의미를 가진다. 해당 연구를
통하여 습득된 적당한 스핀-궤도 상호작
용의 역할에 대한 지식은, 기타 다른 4d
전이 금속 산화물의 특이 현상에 대한
이해에도 큰 도움을 줄 것으로 기대된다.
Junyoung Kwon, Minsoo Kim, Dongjoon Song,
Yoshiyuki Yoshida, Jonathan Denlinger, Wonshik
Kyung, and Changyoung Kim, Phys. Rev. Lett.
123, 106401 (2019).
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물리학과 첨단기술 DECEMBER 201 938
Nonambipolar Transport due to Electrons with 3D Resistive Response in the KSTAR Tokamak
▲ (왼쪽 위) KSTAR 토카막 플라즈마 및 설치된 자기 섭동 코일의 구조. (왼쪽 아래) 보통 외부에서
비대칭 자기장을 가할 경우 녹색이나 빨간색처럼 플라즈마 회전이 감소하고 플라즈마 불안정성이 생
겨 플라즈마 회전이 0이 됨. 그러나 파란색 경우 외부 자기장 증가에 따라 역으로 플라즈마 회전이
증가하게 되고 플라즈마 불안정성 발현이 지연되는 것을 볼 수 있음. (오른쪽) 비확산 수송 및 플라즈
마 저항을 상호보완적으로 고려한 본 연구의 전산모사와 기존 전산모사의 전자온도 영상 진단장치 결
과 비교.
토카막(Tokamak) 장치는 자기장을 이
용해 고온의 플라즈마를 가두어 핵융합
을 지속적으로 일으키기 위해 고안된 도
넛 형태의 장치이다. 토카막 플라즈마에
는 다양한 불안정성이 존재하는데 플라
즈마의 회전은 이러한 불안정성을 안정
화 시키는 것으로 알려져 있다. 일반적으
로는 중성입자빔을 한쪽 방향으로 주입
하여 플라즈마 회전을 발생시키는데, 대
규모 핵융합로에서는 플라즈마 체적이
증가함에 따라 중성입자빔에 의한 플라
즈마 회전 구동효율이 극도로 감소하게
된다. 따라서 이를 대체하여 플라즈마 회
전을 발생시키기 위한 다양한 연구들이
수행되어 왔다. 서울대 원자핵공학과의
나용수 교수 연구팀은 KSTAR 토카막장
치에 미량의 외부 자기장을 인가하여 플
라즈마 회전을 증가시키고 이를 통해 플
라즈마의 안정성을 증가시킬 수 있음을
실증하였다.
토카막에 비대칭 외부 자기장을 인가
하면 보통 그림의 녹색이나 빨간색처럼
플라즈마 회전이 감소하게 된다. 이는
외부 비대칭 자기장에 의해 토로이덜
(toroidal) 방향의 대칭성이 깨져 발생하
게 되는 플라즈마 입자의 비확산 수송
(non-ambipolar transport)과 밀접한 연
관을 가지는 것으로 알려져 있다. 플라즈
마 회전의 감소는 보통 플라즈마를 이루
는 전자와 이온 가운데 이온이 만드는
비확산 수송 때문에 발생하게 된다. 반대
로 전자의 비확산 수송은 플라즈마 화전
을 가속시킬 수 있는 것으로 알려져 있
다. 이온은 전자보다 매우 질량이 크기
때문에 일반적으로 비확산 수송도 더 크
게 발생하게 되며 이 때문에 전자의 비
확산 수송은 많은 경우 무시되어 왔다.
본 연구는 전자의 비확산 수송을 관측하
기 위해 이온의 충돌률을 증가시킨 상황
에서 실험을 수행하였다.(이때에 전자는
바나나 모양, 이온은 일반적인 충돌 운동
을 하며 토카막 반경방향으로 빠져나가
게 된다). 이 조건에서 비대칭 자기장을
인가할 경우에는 그림의 파란색 경우처
럼 플라즈마 회전이 증가하고 플라즈마
불안정성 발현이 지연되는 것을 확인할
수 있었다.
추가로 본 연구에서는 플라즈마의 가
속을 정량적으로 설명하기 위해서 플라
즈마 전기저항을 고려하는 것이 중요함
을 발견하였다. 비확산 수송에 의해 발생
한 전류는 자기장의 변화를 발생시키는
데 이 영향을 플라즈마 저항을 포함하여
재차 고려하는 것이 중요하다는 것이다.
이 상호보완적인 효과를 고려한 전산모
사는 KSTAR에 설치된 전자온도 영상 진
단장치를 통해 유추한 플라즈마 이동
(displacement)과 비교한 결과 큰 유사
성을 보였다.
이러한 외부 자기장을 활용한 플라즈
마 가속은 플라즈마의 충돌률이 기존보
다 훨씬 낮을 것으로 예상되는 대규모
핵융합로에서는 훨씬 쉽게 일어날 수 있
을 것으로 예측된다. 따라서 이러한 플라
즈마 회전 가속 기술은 ITER를 비롯한
상용 핵융합로에서 중요한 역할을 할 것
으로 기대된다.
양성무(서울대), 박종규(PPPL), 나용수(서울대), Z.
R. Wang(PPPL), 고원하(NFRI), 인용균(UNIST)
이규동(NFRI), 김상균(서울대), Phys. Rev. Lett.
123, 095001 (2019).
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물리학과 첨단기술 DECEMBER 201 9 39
Probing Bayesian Credible Regions Intrinsically: A Feasible Error Certification for Physical Systems
◀ (a) 신용 영역이 양자 상
태 공간 안에 완전히 포함
될 때와 (b) 양자 상태 공
간 경계에 의해서 잘리는
상황에서, 신용 영역 능력에
대한 근사값들(곡선)과 제시
된 알고리즘을 이용하여 시
뮬레이션을 통해서 계산된
값들(점).
양자정보처리에 있어서 우리가 가지고
있는 양자 상태에 대해서 정확하게 기술하
는 것은 매우 중요한 문제이다. 보유하고
있는 양자 상태가 어떤 상태인지 조사하기
위해서 일반적으로 양자 상태 단층촬영
(quantum state tomography)이라는 기법
을 사용한다. 양자 상태 단층촬영 기법을
사용할 경우, 양자 상태의 추정값과 신용
도 및 신용 가능한 영역을 제시해야 한다.
양자통신 및 양자 컴퓨터 등 양자 상
태를 이용하는 정보 처리에 있어서 고차
원 양자 상태를 다루는 것이 특히 중요
한데, 고차원 상태에 대해서 양자 상태
단층 촬영 기법을 사용할 경우 양자 상
태 추정 과정에서 많은 시간적 비효율성
이 야기된다. 지금까지 고차원 양자 상태
에 대해서 추정값을 효율적으로 계산하
는 방법에 관해서는 많은 연구가 있었던
반면, 신용도와 신용 영역 계산에서는 여
전히 효율적인 방법을 개발하는 것이 필
수적이었다. 특히 일반적으로 사용되는
몬테카를로 필터링(Monte Carlo filtering)
방법은 고차원 양자 상태 공간이 매우
넓으며 신용 영역은 차원에 따라서 지수
함수적으로 작아지기 때문에 매우 비효
율적이다. 더우기 고차원 양자 상태 공간
의 수학적 복잡성에 의해 우리가 다루는
양자 상태의 차원이 증가함에 따라서, 매
우 정확히 신용도와 신용 영역을 계산하
는 것이 지수함수적으로 어려워진다는
것이 증명되어 있던 만큼, 효율적 계산
방법에 관한 연구는 매우 중요하다.
양자 상태 단층 촬영 과정에서 충분히
많은 자료를 수집하였을 때에 대해서 근
사적으로 신용도와 신용 영역을 계산하
는 방법은 이미 제시되어 있었다[New J.
Phys. 20, 093009 (2018)]. 그러나 이
러한 근사적 접근은 높은 차원에서 실제
값과는 차이가 나타나기 시작하였기 때
문에, 보다 엄밀한 수치적 방법론의 개발
이 불가피하였다.
본 연구에서는 고차원 양자 상태에 대
한 양자 단층 촬영에서 매우 효율적으로
신용도와 신용 영역을 계산할 수 있는
알고리즘을 제시하고, 시뮬레이션을 통하
여 이를 검증하였다. 기존에 주로 사용되
던 몬테카를로 필터링 방법의 경우, 전체
양자 상태 공간에서 많은 양자 상태를
샘플링(sampling)하고, 이 샘플들 중에서
신용 영역 안에 들어가는 샘플들의 수의
비율을 이용하여 신용 영역을 계산할 수
있었고, 이를 통해서 신용도를 얻어낼 수
있었다. 하지만 이러한 접근은 차원에 따
라서 지수함수적으로 많은 시간을 필요
로 하기 때문에 높은 차원의 양자 상태
에 대한 추정에서 사용되기는 어렵다.
이러한 비효율성을 극복하기 위해서 우
리는 먼저 매개변수화된 신용 영역 내에서
어떤 함수의 평균값을 매개변수를 바꾸어
가며 조사하면 신용 영역과 신용도를 얻어
낼 수 있다는 정리를 증명하였다. 따라서
우리는 양자 상태 공간 전체에서 샘플링을
하지 않고, 매개변수화된 신용 영역 내에
서만 샘플링을 하여 어떤 함수의 평균값을
수치적으로 계산하고 추적하여 신용 영역
과 신용도를 계산할 수 있었다. 양자 상태
공간 전체에서 샘플링을 하지 않기 때문
에, 지수적으로 많은 샘플을 얻을 필요가
없고, 따라서 차원이 커지더라도 매우 효
율적으로 신용 영역 및 신용도를 계산할
수 있게 되었다. 특히 제시된 알고리즘의
경우 차원에 대해 다항함수적인 시간만을
요구한다는 것을 증명할 수 있었고, 따라
서 이 알고리즘은 기존의 몬테카를로 필터
링 방법보다 훨씬 효율적이다. 또한 제시
된 알고리즘을 바탕으로 신용 영역과 양자
상태 추정값 사이의 거리로 정의된 신용
영역 능력이라는 개념을 도입하였고, 근사
적 방법과 시뮬레이션을 통해서 알고리즘
이 잘 작동하는 것을 확인하였다.
이러한 효율성은 고차원 양자 상태에
대한 양자 상태 단층 촬영에 있어서 신
용도와 신용 영역 계산을 빠른 시간 안
에 가능하게 한다는 점에서 의미가 있다.
특히, 앞으로 다양한 양자 정보 처리 과
정에서 계속해서 높은 차원 또는 많은
큐비트를 사용하는 양자 시스템이 많이
개발될 것이므로, 제시된 알고리즘은 이
와 같은 시스템들을 검증하는 데 있어서
매우 중요한 역할을 할 것이다.
오창훈(서울대), Y. S. Teo(서울대), 정현석(서울
대), Phys. Rev. Lett. 123, 040602 (2019),
Phys. Rev. A 100, 012345 (2019).
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물리학과 첨단기술 DECEMBER 201 940
Thermal Conductance of Single-Molecule Junctions
▲ 유기 단분자 열전도특성 측정을 위한 STM-BJ 기법의 모식도 및 개념.
유기분자가 단분자 레벨에서 나타내는
전하와 열의 전도특성은 많은 과학자들
이 궁금해 하는 주요 관심사이며 특히
분자를 이용하는 전자소자와 열전발전소
자와 방열소자에 대한 기술의 발전에 큰
영향을 미칠 것으로 기대되어 왔다. 하지
만 단분자의 다양한 특성들(전기전도, 발
광, 열전, 열분산 등)을 정확히 측정할
수 있는 실험적 방법들을 확립하는 것이
선행되어야 했다.
소재의 열전성능은 figure-of-merit(ZT)
값으로 정의되며 이는 ⋅ 2⋅
⋅―1로 나타낼 수 있으며, 이때 는
전기전도도, 는 Seebeck 상수, 는 열
전도도, 는 절대온도를 나타낸다.(가
이를 결정하는 주요 성질임.) 유기 단분
자의 전기전도도와 열전특성은 각각
2003년과 2007년에 실험적으로 밝혀진
데 반해 열전도도는 현재까지 정확히 측
정된 바가 없으므로 유기 단분자 내에서
의 열전달 현상에 대해서도 정확히 규명
된 적이 없었다.
장성연 교수(UNIST 에너지 및 화학공
학부)와 Michigan 주립대학의 Pramod
Reddy 교수 공동연구팀이 picowatt 수
준의 매우 예민한 열 감지 능력을 지닌
탐침형 열량계(calorimetric scanning
probe)를 개발하고 이를 scanning tunnel-
ing microscopy 기반의 break junction
(STM-BJ) 기술에 적용함으로써 다양한
길이의 탄소체인으로 구성된 유기 단분
자의 열전도도를 측정하는 데 세계 최초
로 성공하여 그 결과를 Nature(527,
628, 2019)지에 보고하였다.
이 연구에서는 자가조립된 유기 단분
자층이 덮인 금 기판과 금으로 된 탐침
형 열량계는 진공상태에서 picowatt 수
준의 열흐름을 측정할 수 있도록 설계되
었으며 유기단분자가 두 전극으로부터
분리되면서 발생하는 수십 picowatt 수
준의 작은 온도변화를 열량계가 감지하
도록 하여 유기 단분자의 탄소 사슬을
통해 전달되는 열을 측정해 내는 데 성
공하였다.
이 연구를 통해 유기단분자의 열전도
도가 ∼20 pW/K임을 세계 최초로 밝
혔으며, 특히 그동안 이론적으로 알려져
있고 실험적으로 구현된 적이 없던 “유
기분자의 탄소사슬에서의 열전도는 pho-
non에 의존하여 이루어진다”라는 이론을
유기분자의 길이가 열전도에 크게 영향
을 미치지 않음을 실험적으로 증명함으
로써 밝혀내 기초과학적으로 매우 의미
있는 연구이다.
이론상 금속이나 반도체에서 소재의
길이가 길어질수록 전달되는 전자와 열
도 감소하는 것이 일반적이나 양자효과
가 적용되는 미시 단분자 접합에서는 분
자의 길이에 따라 전자의 전달은 영향을
받지만, 열전달은 거의 일정하다는 사실
을 밝혀낸 연구결과이며, 이는 유기단분
자에서 전자에 의해 발생하는 열전도는
무시할 수 있음을 의미한다.
이번에 규명된 결과에 의하면 유기단
분자의 열전달은 전자전달과는 매우 다
른 거동을 보이며 분자의 길이에 영향을
받지 않아서, 유기분자들과 같은 나노스
케일에서는 100 nm 이상까지도 열의
이동이 가능할 것이라는 이론적 예측과
일치하는 결과이다. 따라서 향후 분자 구
조의 디자인을 통해 새로운 거대분자와
고분자를 개발하고 전자 및 열의 전달
특성을 제어하여 분자에너지 소재를 개
발하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대
되며 더 나아가 유기분자의 낮은 열전도
도는 분자의 길이와 무관하게 거의 일정
하다는 사실을 응용하여 향후 분자컴퓨
팅 소재로 사용될 수 있을 것으로 기대
하게 한다.
Longji Cui, Sunghoon Hur, Zico Alaia Akbar,
Jan C. Klöckner, Wonho Jeong, Fabian
Pauly*, Sung-Yeon Jang*, Pramod Reddy*
and Edgar Meyhofer*(UNIST), Nature 572,
628 (2019).