자발적으로 형성된 엑시톤 신호. 중앙의 동그란 부분이 액시톤 입자에서 방출되는 광전자 신호다. 가로축은 광전자의 에너지, 세로축은 광전자의 운동량이다.[IBS 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 기초과학연구원(IBS) 원자제어 저차원 전자계 연구단 염한웅 단장(포스텍 물리학과 교수) 연구팀이 저항없이 정보 전달이 가능한 입자 ‘액시톤’이 실온에서 자발적으로 형성되는 현상을 세계 최초로 관측했다.

엑시톤은 자유전자와 양공으로 이뤄진 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.

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 제안했지만 액시톤을 실험적으로 확인하지는 못했다.

연구진은 해당 물질인 셀레늄화니켈다이탄탈룸(Ta2NiSe5)을 고품질로 직접 합성해 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.

연구진은 이를 위해 세계 최고 수준의 성능을 가지는 광전자 분광 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 확인됐다.

염한웅 IBS 원자제어 저차원 전자계 연구단장.[IBS 제공]

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.

이번 연구결과는 물리학 분야 국제학술지 ‘네이쳐 피직스’7월 16일 게재됐다.