크리스탈 결정에서 발견한 준입자

연구원들이 모델 테스트에서 새로운 유형의 준입자(quasiparticle: 물리학에서 입자처럼 행동하며 입자로 생각하는 것이 편리한 매질 내의 요동)를 발견했다.
소위 파이톤(Pi-ton)은 빛에 의해 여기된 고체에서 만들어지며 결정 격자에 두 개의 전자와 두 개의 정공으로 구성된다. 모델 테스트에 따르면 이러한 신비로운 결합 상태는 다양한 고체 물질에서 발생할 수 있다. 그러나 아직 실험적인 증거는 없다. 

▲ 결정 격자에있는 두 개의 전자와 두 개의 구멍은 가벼운 양자에 의해 여기돼 새로운 준 입자 인 pi-ton을 형성한다. © TU 비엔나

잘 알려진 기본 소립자의 "가족"은 물질의 구성 요소인, 양성자, 중성자 및 전자 뿐만 아니라 이 외에도 거의 질량이 없는 중성미자에서 유명한 힉스-보손에 이르기까지 일련의 다른 이국적인 입자도 포함한다. 또한 소위 준입자(Quasiparticles)도 있다. 이 입자는 여러 개의 입자 또는 빈공간이 결정 격자로 연결되어있는 신비롭고 종종 수명이 짧은 상태다.

구멍(hole)에서 복잡한 준입자까지

"가장 단순한 준입자는 구멍(hole)이다"고 비엔나 공과 대학의 선임 저자 카르스텐 헬드(Karsten Held)가 설명한다. 이러한 정공들은 예를 들어 한 결정격자에 있는 한 원자에서 전자 한 개가 누락된 경우 발생할 수 있다. 이 경우 그리드를 통해 이동할 수 있는 양전하를 띈 홀(hole)이 생성된다. 이러한 빈 공간의 움직임은 일반 입자와 유사한 물리적 규칙을 따른다. 이와 대조적으로, 준입자는 분리되어 존재할 수 없다.

이것은 또한 엑시톤과 같은 보다 복잡한 준입자에도 적용된다.
반도체에 전형적인 이러한 준입자는 전자와 정공으로 구성되며 빛으로 여기됨으로써 결합을 형성한다. 비엔나 공과 대학(Vienna University of Technology)의 첫 번째 저자 안나 카우흐(Anna Kauch)는 다음과 같이 말한다. ”그런 엑시톤을 조사하려고 했다. 우리가 고체 양자에 미치는 영향을 물리적으로 정확하게 계산하는 데 사용할 수 있는 컴퓨터 시뮬레이션을 개발했다."

솔리드 모델에서 우연히 발견

그러나 연구자들이 놀란 것은, 그들은 계산에서 완전히 새로운 현상으로 반복되는 ‘새로운 종류의 준입자’를 발견했다. 이것은 서로 연결된 두 개의 전자와 두 개의 정공으로 구성된다. 이러한 이국적인 구조는 고체가 빛에 의해 여기되고 광자가 흡수될 때 자발적으로 발생한다.
준 입자가 광자를 다시 방출하면 사라진다.

물리학자들은 유명한 원주율 파이(Pi)의 이름 따라 새로운 준입자 Pi-ton을 명명했다. “Piton이라는 이름은 두 전자와 두 개의 정공이 전하 밀도 변동 또는 결정의 한 격자 점에서 다른 격자 점으로 이동하는 스핀 변동에 의해 함께 유지된다는 사실에서 비롯된다.
다음으로 항상 특성을 180도 뒤집는다.”라고 카우흐는 설명한다. 이러한 구조의 파동 벡터는 Pi에 가깝다.

"다시 반복해서 나타난다"

지금까지 과학자들은 컴퓨터에서 만 새로운 Pi-ton을 시연했다.
그럼에도불구하고, 이들 준입자가 존재한다는 것은 의심의 여지가 없다. 헬드(Held) 교수는 “우리는 다양한 모델로 파이톤 현상을 조사했다. 반복해서 나타났다.”고 강조하면서 “어쨌든 른 재료에서 확실히 증명될 수 있어야 할 것이다.”는 사실에 대한 첫 징후가 있다. “사마리움-티타네이트를 갖고 한 몇 실험 데이터는 이미 파이톤으로 보인다.”고 말했다.

이러한 준 입자의 발견은 이미 빛과 물질의 상호 작용으로 반도체 기술에서부터 광전지에 이르기까지 많은 기술 응용 분야에서 중요한 역할을 하는 기본 프로세스에 새로운 통찰력을 준다.
출처 : Physical Review Letters, 2020; doi : 10.1103 / PhysRevLett.124.047401
출처 : 비엔나 공과 대학교

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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