한국 기초과학연구원, “세계 최초 저항 없는 차세대 정보통신 입자 ‘엑시톤’ 실온 관측”

임준 기자 / 기사승인 : 2021-07-18 11:28:51
▲ 실험에 사용된 광전자 분광 장치

 

[더퍼블릭 = 임준 기자] 저항없이 정보를 전달해 차세대 정보통신 입자로 불리는 ‘엑시톤’이 한국에서 세계 최초로 실온 관측 됐다고 발표됐다.

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 16일 밝혔다.

엑시톤은 반도체나 절연 물질에 빛을 쏠 때 만들어지며, 자유전자와 양공으로 이루어진 입자로 알려져 있다.

엑시톤이 차세대 고성능 소자 기술로 주목받고 있는 이유는 전하가 '0'으로 물질 내에서 저항을 받지 않기 때문이다,

그럼으로 기존에 전력 소비가 크고 발열이 동반되는 고성능 소자를 대체할 차세대 기술로 주목받아 왔다.

하지만 기존에는 레이저를 이용하여 엑시톤을 만들었는데 수명이 매우 짧아 안정성이 떨어져 정보 처리 소자로 사용이 어려웠다.

이런 단점을 극복하려면 극저온 상태를 유지해야만 수명을 늘릴 수 있기에 그동안 성공하기 쉽지 않은 연구로 알려졌다.

이번 염한웅 단장 연구팀은 1970년대 엑시톤 절연체 예측 이론을 기반으로 특별한 전자구조를 갖는 물질에서 자발적으로 생성되는 엑시톤을 관찰할 수 있는 방법을 선택하였다..

연구팀은 특이한 전자구조를 가지는 반도체나 반금속에서는 높은 온도에서도 수명이 긴 엑시톤이 자발적으로 만들어 질 수 있다는 기존의 가설을 바탕으로 해당 물질인 셀레늄화니켈다이탄탈룸(Ta2NiSe5)을 고품질로 직접 합성해 엑시톤 신호를 검출했다.

 

 

▲ 관측한 엑시톤 입자 모식도


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 액시톤 입자를 관측함으로서 1970년대의 소위 액시톤 절연체 예측이 옳았음을 증명했다”며 “수명이 긴 액시톤을 발견함으로써 향후 저항 손실 없는 소자와 컴퓨터가 실현될 가능성이 높아졌다”고 의의를 밝혔다.

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

 

[사진제공 기초과학연구원]

 

더퍼블릭 / 임준 기자 uldaga@thepublic.kr 

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