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