[뉴스웍스=문병도 기자] 염한웅 기초과학연구원(IBS) 원자제어 저차원 전자계 연구단 단장과 케이스케 후쿠타니, 김준성, 김재영 연구위원이 저항 없이 정보 전달이 가능한 입자 '액시톤'이 실온에서 자발적으로 형성되는 현상을 세계 최초로 관측했다. 

액시톤은 자유전자(-)와 양공(+)이 결합하여 만들어지는 준입자로, 주로 반도체나 절연체 물질에 빛을 쏠 때 생긴다. 

광자가 반도체로 들어가면서 최외각 밴드에서 전자를 여기시켜서 전도 밴드로 보낸다. 최외각 밴드 내의 소실 전자는 반대 전하의 정공을 남기며 그것에 의해 전자가 쿨롱 인력을 받는다. 엑시톤은 양공과 전자의 결합에 기인하며 결과적으로 엑시톤은 결합되지 않은 전자와 정공 보다 약간 낮은 에너지를 지니게 된다.

결합 상태의 엑시톤 파동 함수는 수소의 파동 함수와 비슷하다. 수소 원자내에서 핵과 전자는 평행 또는 반 평행 스핀을 지닐 수 있다. 엑시톤의 양공과 전자, 포지트로늄의 양전자와 전자도 평행 또는 반 평행 스핀을 지닐 수 있지만, 헬륨 원자 안의 두 전자에 대해서는 그러하지 않다. 엑시톤은 통상적으로 수소 원자 궤도 이름과 비슷한 이름이 주어지지만 각 운동량 또는 다른 양자수에 대해 다른 값을 지닌다.

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

연구진은 특별한 전자구조를 갖는 물질에서 자발적으로 생성되는 액시톤을 관측하고자 실험을 설계했다. 

연구진은 셀레늄화니켈다이탄탈룸(Ta2NiSe5)을 고품질로 직접 합성하여 액시톤 신호를 검출했다. 염한웅 단장은 "세계 최초로 실온에서 자발적으로 형성되는 액시톤 입자를 관측함으로서 1970년대의 소위 액시톤 절연체 예측이 옳았음을 증명했다"며 "수명이 긴 액시톤을 발견함으로써 향후 저항손실 없는 소자와 컴퓨터가 실현될 가능성이 높아졌다"라고 말했다.  이번 연구결과는 물리학 분야 최고 권위지인 네이쳐 피직스에 16일 게재됐다.