기초과학연구원(IBS) 원자제어 저차원 전자계 연구단 염한웅 단장 연구팀은 저항 없이 정보를 전달할 수 있는 차세대 정보통신 입자 '엑시톤'이 실온에서 자발적으로 만들어지는 현상을 처음으로 관측했다고 밝혔다.

엑시톤은 전자와 정공이 결합한 입자이다. 반도체나 절연 물질에 빛을 쏠 때 만들어진다.

전하가 '0'으로 물질 내에서 저항을 받지 않기 때문에, 에너지 소모 없이 정보를 전달할 수 있는 차세대 고성능 소자 기술로 주목받고 있다.

▲ 실험에 사용된 광전자 분광 장치.

하지만 레이저로 만든 엑시톤은 수명이 짧아 정보 처리 소자에 활용하기 어려웠다.

수명을 늘리려면 극저온 상태가 유지돼야 한다.

16일 연구팀은 1973년 당시 소련 과학 아카데미 연구팀이 제시한 '엑시톤 절연체 예측 이론'에 착안, 실험을 통해 실온에서 생성되는 엑시톤을 관찰하는 데 성공했다고 설명했다.

엑시톤 절연체 예측 이론은 특이한 전자 구조를 갖는 반도체나 반금속에서는 고온에도 수명이 긴 엑시톤이 자발적으로 만들어질 수 있다는 이론이다.

연구팀은 반금속 물질 '셀레늄화니켈다이탄탈룸'(Ta2NiSe5)를 고품질로 합성해 엑시톤 신호를 검출했다.

엑시톤을 빛으로 자극하면 자유전자와 정공으로 붕괴하는데, 이때 엑시톤을 구성하던 자유전자가 빛을 받아 튕겨 나온다.

이 광전자가 엑시톤 붕괴에 의한 것인지 확인하려면 고체에서 나오는 다른 무수한 광전자와 구분할 수 있어야 한다.

연구팀은 세계 최고 수준의 성능을 갖는 광전자 분광 장치를 개발, 빛의 편광을 변화시켜 광전자를 측정하는 데 성공했다.

새로운 광전자 신호의 에너지와 운동량을 분석한 결과, 이론적으로만 예측됐던 엑시톤 신호로 확인됐다.

염한웅 단장은 "세계 최초로 실온에서 자발적으로 형성되는 엑시톤 입자를 관측함으로써 1970년대 엑시톤 절연체 예측 이론이 옳았음을 증명했다"며 "저항 손실 없는 소자와 컴퓨터 개발에 기여할 것"이라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 피직스'(Nature Physics) 이날 자에 실렸다.

윤승훈 기자  press@jeonpa.co.kr

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