기초과학연구원(IBS) 원자제어 저차원 전자계 연구단 염한웅 단장(POSTECH 물리학과 교수)과 케이스케 후쿠타니, 김준성, 김재영 연구위원은 저항 없이 정보 전달이 가능한 입자 ‘액시톤이 실온에서 자발적으로 형성되는 현상을 세계 최초로 관측했다.
* 엑시톤: 자유전자와 양공으로 이뤄진 입자. 절연체에 빛을 쪼이면 원자에 속박된 전가가 들뜬 상태로 전이를 하는데, 전자가 원자핵을 중심으로 도는 것처럼 들뜬 전자가 양공 주위를 돈다.
액시톤은 자유전자(-)와 양공(+)이 결합하여 만들어지는 입자로, 주로 반도체나 절연체 물질에 빛을 쏠 때 생긴다. 전하가 0인 액시톤은 물질 내에서 움직일 때 저항을 받지 않아, 에너지 소모 없이 정보를 전달할 수 있다. 따라서 전력 소비가 크고 발열이 동반되는 고성능 소자의 한계를 해결할 차세대 기술로 주목받고 있다.
* 양공: 전자가 빠져나간 빈 자리. (+)전하를 띤다. 정공이라고도 한다.
하지만 레이저로 만든 액시톤은 수명이 매우 짧아 안정성이 떨어지기 때문에, 정보 처리 소자에 활용하기는 어려웠다. 수명이 긴 액시톤을 만들기 위해 전자와 양공을 직접 조종하는 연구가 시도됐으나, 극저온에서만 액시톤을 만들 수 있다는 한계가 있었다.
연구진은 특별한 전자구조를 갖는 물질에서 자발적으로 생성되는 액시톤을 관측하고자 실험을 설계했다. 1970년대에 제시된 액시톤 절연체 예측 이론이 연구의 중요한 계기가 됐다. 이 이론은 특이한 전자구조를 가지는 반도체나 반금속에서는 높은 온도에서도 수명이 긴 액시톤이 자발적으로 만들어질 수 있다고 예견했다. 수 년 전 동경대에서 이러한 조건에 부합하는 반금속 물질을 제안하였으나, 액시톤을 실험적으로 확인하지는 못했다.
* 액시톤 절연체 예측: 1973년 소련 과학 아카데미 연구진이 제안한 것으로, 특정한 에너지띠를 갖는 고체에서 액시톤이 자발적으로 형성되리라고 예측했다. Reports in Progress in Physics 지에 실렸다.
* 반금속: 금속과 반도체의 중간 성질을 갖는 물질
연구진은 해당 물질인 셀레늄화니켈다이탄탈룸(이하 Ta2NiSe5)을 고품질로 직접 합성하여 액시톤 신호를 검출했다. 액시톤을 빛으로 자극하면 자유전자와 양공으로 붕괴되는데, 이 때 액시톤을 구성하던 자유전자가 빛을 받아 튕겨져 나온다. 그러나 이 광전자가 액시톤 붕괴에 의한 것인지 확인하려면 고체에서 나오는 다른 무수한 광전자와의 구분이 필요하다.
* 광전자: 빛 에너지를 얻어 튕겨져 나온 자유전자. 일반적인 전자와 성질은 같으나, 빛 에너지를 받아 발생했을 때 광전자라고 한다.
연구진은 이를 위해 세계 최고 수준의 성능을 가지는 광전자 분광장치를 개발했다. 이 장치는 빛의 편광을 변화시키면서 광전자를 측정할 수 있다. 따라서 이 물질의 일반 광전자가 발생되지 않는 편광조건에서도 측정을 할 수 있었으며, 이 조건에서도 매우 강한 광전자 신호를 검출하였다.이 새로운 광전자의 에너지와 운동량을 분석한 결과, 이론적으로만 예측되었던 액시톤의 신호로 확인되었다.
* 광전자 분광기술: 광전자의 운동에너지를 분석하여 물질의 원자구조나 전자구조를 연구하는 방법
* 편광: 전자기파(빛)가 진행할 때 전기장이나 자기장이 한 방향으로만 진동함
교신저자인 염한웅 단장은 “세계 최초로 실온에서 자발적으로 형성되는 액시톤 입자를 관측함으로서 1970년대의 소위 액시톤 절연체 예측이 옳았음을 증명했다”며 “수명이 긴 액시톤을 발견함으로써 향후 저항손실 없는 소자와 컴퓨터가 실현될 가능성이 높아졌다”고 의의를 밝혔다.
본 연구는 물리학 분야 최고 권위지인 네이쳐 피직스(Nature Physics, IF 20.034) 誌에 7월 16일(한국 시간) 게재되었다.
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| ▲ 자발적으로 형성된 액시톤의 신호 |
중앙의 동그란 부분이 액시톤 입자에서 방출되는 광전자 신호다. 가로축은 광전자의 에너지, 세로축은 광전자의 운동량이다.
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| ▲ 관측한 액시톤 입자 모식도 |
실험에 사용한 물질인 셀레늄화니켈다이탄탈룸 원자구조와 비교한 액시톤 입자의 모양과 크기. 액시톤 입자의 구성, 결합에너지, 모양, 그리고 크기가 물질의 가장 기본적인 성질을 결정한다.
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| ▲ 실험에 사용된 광전자 분광장치 |
IBS 원자제어 저차원 연구단에서 제작하여 포항방사광가속기에 연결 및 설치한 세계 최고 수준의 광전자분광장치로 이번 발견이 가능해졌다.
출처: 기초과학연구원
