차세대 정보통신 입자 ‘액시톤’ 실온에서 자발적 형성 관측

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.

▲ 자발적으로 형성된 액시톤의 신호

중앙의 동그란 부분이 액시톤 입자에서 방출되는 광전자 신호다. 가로축은 광전자의 에너지, 세로축은 광전자의 운동량이다.

▲ 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.

▲ 실험에 사용된 광전자 분광장치

IBS 원자제어 저차원 연구단에서 제작하여 포항방사광가속기에 연결 및 설치한 세계 최고 수준의 광전자분광장치로 이번 발견이 가능해졌다.

출처: 기초과학연구원