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- 분수 엑시톤, 정수 기본 전하를 띠지 않고, 그 일부만 띠고 있다.
- 기본 상태에서 분수 엑시톤은 "일반적인"정수 ​​대응물과 유사한 보스-아인슈타인 응축 형성
- 이론적으로만 가정되었던 분수 엑시톤의 존재를 입증

새로운 종류의 양자 입자 발견
분수 엑시톤은 보손과 페르미온의 혼합물처럼 동작한다.

물리학자들이 새로운 형태의 양자 입자를 발견했다. 이러한 분수 엑시톤은 분수 기본 전하를 띠고 있으며, 그 행동은 두 가지 주요 기본 입자 클래스에 속하지 않는다. 연구자들이 "네이처"에 보고한 대로, 이들은 보손과 페르미온의 혼합체처럼 행동한다. 그들은 이중층 그래핀을 이용한 실험을 통해 이 새로운 종류의 양자 입자를 발견했다. 

▲ 물리학자들은 이전에는 이론적으로만 가정되었던 새로운 유형의 양자 입자, 즉 두 가지 유형의 분수 엑시톤을 발견했다. © Demin Liu/ 브라운 대학교

엑시톤은 반도체 물질이 에너지 공급에 의해 들뜨고 전자가 위치를 바꿀 때 생성된다. 이 과정에서 전자와 양전하를 띤 정공이 결합하여 물질 내부를 이동할 수 있는 준입자, 즉 엑시톤을 형성한다. 일반적으로 정수 기본 전하, 보스-아인슈타인 응축을 형성하는 능력, 전자와 정공의 스핀이 같거나 반대인 것이 특징이다. 후자는 "다크 엑시톤"이라고 불린다.

분수형 엑시톤이 있는가?

하지만 지금까지 한 가지 형태의 엑시톤은 발견되지 않았다. 바로 분수 엑시톤이라고 불리는 것이다. 이러한 짝을 이룬 준입자에서 두 개의 개별 구성 요소는 일반적인 것과 달리 정수 기본 전하를 띠지 않고, 그 일부만 띠고 있다. 모델에 따르면, 이러한 이국적인 준입자는 양자 홀 효과의 특수한 형태를 통해 발생할 수 있다. 이 경우 낮은 온도와 강한 자기장이 2차원 반도체 물질에서 이러한 분수 엑시톤을 생성한다. 이는 이론에 따른 것이다.

"이러한 분수 엑시톤에 대한 수많은 이론적 예측에도 불구하고 실험적 관찰은 이전에 성공적이지 못했다"고 로드아일랜드 브라운 대학의 나이위안 장(Naiyuan Zhang)과 그의 동료들은 설명했다. 그래서 그들은 그래핀의 도움을 받아 다시 이국적인 입자를 찾았다.

▲ 물리학자들은 실험을 위해 탄소 물질인 그래핀(그림)의 이중 층과 질화붕소 층을 사용했다. © iLexx/ Getty 이미지

마침내 증명됨

그들은 실험을 위해 육각형 질화붕소의 절연층으로 분리된 2차원 탄소 소재 두 층을 사용했다. 두 층 모두 전극에 연결되어 있으며 각각 고유한 전기 회로를 형성한다. 그런 다음 이 "그래핀 샌드위치"를 냉각하고 강력한 자기장에 노출시켰다. 기대했던 대로, 이러한 조건은 분수 양자 홀 효과를 생성했고, 이는 원하는 분수 엑시톤의 전제 조건이었다.

실제로 물리학자들이 발견한 바와 같이 이중층 그래핀에서 새로운 준입자가 나타났는데, 그 행동과 특성은 이론적으로 가정된 분수 엑시톤과 일치했다. 장과 그의 팀은 "우리는 이러한 엑시톤이 실제로 분수 양자 홀 영역에 존재한다는 것을 보여준다"고 썼다. 이론적으로 예측한 대로, 이 새로운 준입자의 개별 구성 요소는 일반적인 기본 전하의 일부에 불과하다.

놀랍게도 비보손적 행동

흥미롭게도, 물리학자들은 이 새로운 준입자의 두 가지 유형을 발견할 수 있었다. 그들은 "우리는 물질의 두 가지 새로운 양자 상태를 발견했다"고 썼다. 첫 번째 종류의 분수 엑시톤은 보손처럼 행동한다. 보손은 힘 입자로, 여러 개가 같은 장소에서 같은 상태에 있을 수 있다. Zhang과 그의 팀이 관찰한 것처럼, 기본 상태에서 이러한 분수 엑시톤은 "일반적인" 정수 ​​대응물과 유사한 보스-아인슈타인 응축을 형성한다.

그러나 훨씬 더 특이한 것은 새로 발견된 두 번째 종류의 분수 엑시톤이다. 이러한 준입자는 보손처럼 작동하지 않지만, 실험에서 밝혀진 바와 같이 비보손적 특성을 보인다. 장은 "이 예상치 못한 행동은 이러한 엑시톤이 독특한 양자 특성을 가진 완전히 새로운 형태의 입자를 나타낼 수 있음을 시사한다"며 "이것은 보손 엑시톤의 현재 모델에 대한 도전이다"고 설명했다.

"양자 상태의 완전히 새로운 영역“

물리학자들은 이전에는 이론적으로만 가정되었던 분수 엑시톤의 존재를 입증했을 뿐만 아니라 이러한 준입자가 예상치 못한 새로운 특성을 보일 수 있다는 사실도 밝혀냈다. “이런 종류의 입자를 실험적으로 감지한 것은 이번이 처음이다. 브라운 대학의 수석 저자인 지아 리(Jia Li)는 "우리는 물질의 양자 상태에 대한 완전히 새로운 영역을 열었다"고 말했다.

연구팀에 따르면, 이번 발견은 이러한 새로운 이국적인 상태를 더욱 자세히 조사하고 근본적인 물리 현상을 더 잘 이해할 수 있는 기회를 제공한다고 한다. "우리는 양자 현상의 이 새로운 차원의 표면을 막 긁어낸 것뿐이다. 이제 우리는 그것으로부터 무엇이 나오는지 더 깊이 탐구해야 한다"고 리는 말했다.
(Nature, 2025; doi: 10.1038/s41586-024-08274-3 )
출처: Brown University

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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