[대전=뉴스프리존] 이기종 기자= 기초과학연구원(IBS)은 원자제어 저차원 전자계 연구단 염한웅 단장(POSTECH 물리학과 교수) 연구팀이 저항 없이 정보 전달이 가능한 입자 액시톤이 실온에서 자발적으로 형성되는 현상을 세계 최초로 관측했다고 16일 밝혔다.

액시톤은 자유전자(-)와 양공(전자가 빠져나간 빈 자리, +)이 결합해 만들어지는 입자이며 주로 반도체나 절연체 물질에 빛을 쏠 때 생긴다.

전하가 ‘0’인 액시톤은 물질 내에서 움직일 때 저항을 받지 않아 에너지 소모 없이 정보를 전달할 수 있다.

이에 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.

그동안 수명이 긴 액시톤을 만들기 위해 전자와 양공을 직접 조종하는 연구가 시도됐으나 극저온에서만 액시톤을 만들 수 있다는 한계가 있었다.

이번 연구진은 이러한 제한점을 해결하기 위해 특별한 전자구조를 갖는 물질에서 자발적으로 생성되는 액시톤을 관측하고자 실험을 설계했다.

연구과정을 보면 지난 1973년 당시 소련 과학 아카데미 연구진에 의해 제시된 액시톤 절연체 예측 이론이 연구의 중요한 계기가 됐다.

이 이론은 특이한 전자구조를 가지는 반도체나 반금속(금속과 반도체의 중간 성질을 갖는 물질)에서는 높은 온도에서도 수명이 긴 액시톤이 자발적으로 만들어질 수 있다고 예견했다.

그러나 수 년 전 동경대에서 이러한 조건에 부합하는 반금속 물질을 제안하였으나 액시톤을 실험적으로 확인하지는 못했다.

연구진은 해당 물질인 셀레늄화니켈다이탄탈룸(이하 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 광전자(빛 에너지를 얻어 튕겨져 나온 자유전자)가 액시톤 붕괴에 의한 것인지 확인하려면 고체에서 나오는 다른 무수한 광전자와의 구분이 필요하다.

이를 위해 세계 최고 수준의 성능을 가지는 광전자의 운동에너지를 분석해 물질의 원자구조나 전자구조를 연구하는 방법인 광전자 분광 장치를 개발했다.

이 장치는 빛의 편광(전기장이나 자기장이 한 방향으로만 진동)을 변화시키면서 광전자를 측정할 수 있다.

이 연구결과에 의하면 해당 물질의 일반 광전자가 발생되지 않는 편광조건에서도 측정을 할 수 있고 매우 강한 광전자 신호도 검출해 이론적으로만 예측되었던 액시톤의 신호를 확인했다. 

염한웅 단장은 “세계 최초로 실온에서 자발적으로 형성되는 액시톤 입자를 관측함으로서 1970년대의 소위 액시톤 절연체 예측이 옳았음을 증명했다”며 “작년에 미국연구자들이 그래핀을 이용한 극저온 액시톤소자를 구현했고 올해 3월 미국에서 IBM의 53 큐비트 양자 컴퓨터를 액시톤 상태로 만든 실험이 보고되는 등 액시톤 활용 소자 및 양자컴퓨터 활용연구가 급속히 발전하고 있다”고 말했다.

이 연구는 케이스케 후쿠타니, 김준성, 김재영 연구위원 등이 참여했고 물리학 분야 최고 권위지인 네이처 피직스(Nature Physics)에 7월 16일 게재됐다.