[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 기초과학연구원(IBS)은 원자제어 저차원 전자계 연구단(단장 염한웅)이 저항없이 정보전달이 가능한 입자인 '액시톤'이 실온에서 자발적으로 형성되는 현상을 세계 처음으로 관측했다고 16일 밝혔다.

액시톤은 자유전자(-)와 전자가 빠져나간 빈 자리인 양공(+)이 결합돼 만들어지는 입자로, 주로 반도체나 절연체 물질에 빛을 쏠 때 생긴다.

전하가 0인 액시톤은 물질 내에서 움직일 때 저항을 받지않아 에너지 소모없이 정보를 전달할 수 있어 전력소비가 크고 발열이 동반되는 고성능 소자의 한계를 해결할 차세대 기술로 주목받고 있다.

하지만 레이저로 만든 액시톤은 수명이 매우 짧아 안정성이 떨어지기 때문에 정보 처리 소자에 활용하기 어렵고 수명이 긴 액시톤을 만들기 위해 전자와 양공을 직접 조종하는 연구가 시도되지만 아직 극저온에서만 액시톤을 만들 수 있다.

연구단은 1970년대에 제시된 액시톤 절연체 예측 이론을 바탕으로 특별한 전자구조를 갖는 물질에서 자발적으로 생성되는 액시톤 관측 실험에 나섰다.

이 이론은 특이한 전자구조를 가지는 반도체나 반금속에서는 높은 온도에서도 수명이 긴 액시톤이 자발적으로 만들어질 수 있다고 보고 있다. 수년 전 외국서 이런 조건에 부합하는 반금속 물질을 제안했으나 액시톤을 실험적으로 확인하지는 못했다.

이번 연구서 IBS 연구단은 셀레늄화니켈다이탄탈룸(Ta2NiSe5)을 고품질로 직접 합성해 액시톤 신호를 검출했다.
연구팀에 따르면 액시톤을 빛으로 자극하면 자유전자와 양공으로 붕괴되며 이 때 액시톤을 구성하던 자유전자가 빛을 받아 튕겨 나온다.

연구진은 세계 최고 수준의 성능을 갖는 광전자 분광장치를 개발해 튕켜나온 이 광전자가 액시톤 붕괴에 의한 것인지 확인에 나섰다.

이 장치는 빛의 편광을 변화시키면서 광전자를 측정할 수 있어 일반 광전자가 발생되지 않는 편광조건에서도 측정이 가능하고 매우 강한 광전자 신호를 검출할 수 있다.

연구단은 새로운 광전자의 에너지와 운동량을 분석한 결과, 이론적으로만 예측됐던 액시톤 신호임을 확인해 처음으로 실온서 자발적으로 형성되는 액시톤 입자를 관측하는데 성공했다.

이번 연구는 물리학분야 최고 권위지인 '네이쳐 피직스'(Nature Physics, IF 20.034)에 16일(한국 시간) 게재됐다.(논문명:Detecting photoelectrons from spontaneously formed excitons)

교신저자인 염한웅 단장은 "세계 최초로 실온에서 자발적으로 형성되는 액시톤 입자를 관측, 1970년대의 액시톤 절연체 예측 이론이 옳았음을 증명했다"며 "수명이 긴 액시톤을 발견해 향후 저항 손실없는 소자와 컴퓨터가 실현될 가능성이 높아졌다"고 말했다.


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