1973년 이론으로만 예측했던 차세대 입자 IBS 연구팀이 관측

[이데일리 강민구 기자] 지난 1973년 소련 과학자들이 이론으로만 예측했던 차세대 정보통신 입자를 국내 연구진이 관측했다.

기초과학연구원(IBS)은 염한웅 원자제어 저차원 전자계 연구단장 연구팀이 저항 없이 정보를 전달할 수 있는 입자인 액시톤이 스스로 형성되는 현상을 처음 관측했다고 16일 밝혔다.

염한웅 기초과학연구원 원자제어 저차원 전자계 연구단장.(사진=기초과학연구원)

액시톤은 자유전자와 전자가 빠져나간 빈 자리인 양공이 합쳐 만들어지는 입자이다. 반도체나 절연체 물질에 빛을 쏠 때 생긴다. 전하가 0인 액시톤은 물질속에서 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.

연구팀은 셀레늄화니켈다이탄탈룸을 합성해 액시톤 신호를 검출했다. 액시톤을 빛으로 자극하면 자유전자와 양공으로 붕괴되는데, 이 때 액시톤을 구성하던 자유전자가 빛을 받아 튕겨져 나온다. 이 광전자가 액시톤 붕괴에 의한 것인지 확인하려면 고체에서 나오는 다른 광전자와 구분해야 한다. 연구진은 광전자 분광장치를 개발해 광전자를 측정했다.

연구팀은 일반 광전자가 발생하지 않는 편광조건에서도 매우 강한 광전자 신호를 검출했다. 이후 새로운 광전자의 에너지와 운동량을 분석해 액시톤의 신호라는 것을 확인했다.

염한웅 단장은 “세계에서 처음 실온에서 스스로 형성되는 액시톤 입자를 관측해 1970년대 액시톤 절연체 예측이 옳았음을 증명했다”며 “수명이 긴 액시톤을 발견해 앞으로 저항손실 없는 소자와 컴퓨터도 만들 수 있을 것”이라고 말했다.

연구 결과는 물리학 분야 국제 학술지인 ‘네이쳐 피직스(Nature Physics)’에 16일자로 게재됐다.