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전자 1개가 여러 원자에 존재하는 새로운 양자상태 발견

기초과학연구원(IBS), 2차원 자성 물질에서 ‘양자 자성 다체 엑시톤’ 존재 확인

전자 1개가 여러 원자에 존재하는 새로운 양자상태 발견 - 산업종합저널 기술이슈
상단부터 덩치삼황화린니켈(NiPS3)의 결정 구조, NiPS3에서 광방출, 광흡수 실험을 통해 얻은 엑시톤 신호, NiPS3에 대한 X선 흡수 스펙트럼과 공명 비탄성 X선 산란 실험, 다체계산

전자와 양공이 전기적 힘에 의해서 입자로 결합하는 엑시톤은 고체(절연체)의 기본적인 들뜸으로서, 초전도체, 양자 결맞음 등 다양한 응용분야에서 고려되고 특히 양자정보기술 분야에서 중요하게 여겨지고 있다.

절연체에 빛을 쪼이면 원자에 속박된 전자가 들뜬 상태로 전이하는데, 전자가 원자핵을 중심으로 도는 것처럼 이렇게 들뜬 전자는 양공 주위를 돈다. 엑시톤을 이루는 전자와 양공이 다시 만나면 광자를 내뿜으며 붕괴하고, 이 빛을 감지해 엑시톤의 존재를 알 수 있다.

엑시톤 개념은 1931년 러시아 과학자인 Frenkel에 의해서 제안됐고, 이어서 구체적인 실험결과들이 발표됐다. 2차원 물질 분야가 발전하면서 2000년 후반, 엑시톤 연구는 제 2의 중흥기를 맞았다.

2차원 물질을 이용하면 엑시톤의 전자와 양공을 다른 층에 위치시킴으로써 엑시톤의 붕괴를 늦출 수 있어, 더 면밀한 연구가 가능하기 때문이다. 하지만 이러한 엑시톤은 기본적으로 Frenkel이 최초에 제안한 메카니즘과 같고, 양자상태가 다르다고 볼 수는 없다.

기초과학연구원(IBS) 강상관계 물질 연구단 박제근 전(前)부연구단장(서울대 물리천문학부 교수)은 서강대(정현식), 연세대(김재훈), 고등과학원(손영우) 등과 함께 자성을 띤 2차원 물질에서 독특한 신호를 발견하고, 이 신호가 전자 1개가 여러 원자에 나뉘어 존재하는 양자다체상태의 새로운 엑시톤 임을 밝혀내는 데 성공했다.

엑시톤은 자유전자와 양공으로 이루어진 입자로, 광자를 방출하는 양자상태이기 때문에 양자광원이 필요한 양자정보통신에 중요한 열쇠로 거론되고 있다.

이번에 발견한 새로운 엑시톤은 삶과 죽음이 중첩돼 존재하는 슈뢰딩거의 고양이처럼 전자 1개가 여러 원자에 나뉘어 존재한다. 이 엑시톤은 이론적으로 예측된 적이 없는 새로운 양자현상이다.

양자역학의 불확정성을 빗댄 사고실험. 상자 속 고양이가 죽을 확률이 50%라고 할 때, 상자를 열어 관측하기 전까지 죽은 고양이와 산 고양이가 중첩돼 있다.

연구진은 2차원 자성물질(삼황화린니켈, 이하 NiPS3)에서 결맞음성이 매우 강한 엑시톤 신호를 서로 다른 세 가지 실험으로 확인하고 이 신호 데이터를 계산해 이번에 발견한 엑시톤이 양자다체상태임을 규명했다.

면 형태의 2차원 물질은 1차원이나 3차원에서 나타나지 않는 전자 상호작용으로 독특한 물리적 특성을 갖는다. 이번 실험에 사용된 NiPS3는 자성을 가지면서 얇은 2차원 층으로 분리되는 반데르발스 물질 중 하나다.

연구진은 물질에 흡수된 뒤 다시 방출되는 빛을 측정하는 광방출 실험을 통해 2차원 NiPS3에서 결맞음이 강한 빛 신호를 발견했다. 이후 빛의 운동량과 에너지 분산관계를 측정하는 공명 비탄성 X선 산란실험을 수행하고, 고체 내 다른 원자들과의 상호작용을 완벽하게 고려한 양자역학적 이론인 다체 이론으로 이 엑시톤 데이터를 설명했다.

최신 양자역학 기반의 다체 이론을 적용하고 방대한 양의 계산을 수행했으며, 이를 공명 비탄성 X선 산란실험 결과와 비교해 이번에 발견한 엑시톤이 양자다체상태임을 알 수 있었다.

양자 다체 자성 엑시톤은 근본적으로 새로운 양자상태로, 2차원 물질 양자현상 연구에 기여해 양자정보기술 혁명을 앞당길 것으로 기대된다.

2차원 물질은 그래핀처럼 층을 쌓아 조립할 수 있어 응용성이 크다. 또 엑시톤에서 발생하는 빛은 양자상태로 정보를 전달하는 양자정보통신으로 확장될 수 있는데, 이 때 엑시톤이 갖는 양자상태를 더 잘 이해하는 것이 중요하다.

박제근 前부연구단장은 “2차원 물질에서는 특이 양자상태가 매우 드물다”며 “우리 연구진이 개척해서 중요한 연구 분야로 자리매김한 자성 반데르발스 물질 분야에서 또다시 선도적인 연구 성과를 내서 이 분야를 주도했다”라고 밝혔다.

이번 연구는 2차원 자성 물질에서 누구도 예측하지 못했던 양자 현상을 발견한 것이 가장 큰 성과다. 2차원 자성 물질 연구는 물리학 전체에서 갖는 중요성에도 불구하고 박제근 교수가 2010년 서울대에서 연구를 시작하기 전까지는 학계에 전혀 알려지지 않았던 분야이다. 초기의 국내외 연구진의 냉대를 극복하고 박제근 교수가 국내에서 세계 최초로 개척한 분야로써 국외에서 한국에서 개척한 중요한 연구분야로 인식되고 있는 전세계적으로 드문 예다.

전 세계에서 아무도 하지 않은 연구를 한국에서 시작하고 창시했다고 볼 수 있다. 자성 반데르발스 연구는 2010년 박제근 교수가 처음 아이디어를 내고 개척해 왔으며, 2018년 Nature 지에 이 분야 리뷰논문을 발표하기도 했다.
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