(3분 30초 읽기)
1960년대 이론적 예측 숨겨진 입자를 실험으로 확인.
양자 통신, 광전자 분야와 같은 반도체 재료 사용 및 개발에 광범위한 의미.

어두운 엑시톤 첫 감지
처음으로 반도체에서 숨겨진 유형의 입자를 관찰했다.

어둠 속의 빛 :
처음으로 연구자들이 이전에 이론적으로만 예측되었던 "다크 엑시톤"이라는 반도체 입자 유형을 발견했다. 그들은 빛에 의해 들뜬 전자와 다른 펄스를 가진 "전자 정공"으로 구성된다.
이들 준입자의 실험적 증거는 이제 그 특성을 드러내며 "밝은" 대응물보다 훨씬 더 많다는 것을 보여준다. 12월 4일 "Science" Vol. 340 (1199-1204 쪽)에 보고된 내용이다. 

▲ 들뜬 반도체 재료에서 엑시톤이라고 하는 신비스러운 준입자가 발생할 수 있다. "어두운" 엑시톤은 지금까지 어떠한 직접적인 증거도 얻지 못했다. © Jiyong Kong

물리학자들은 1960년대 이미 빛에 의해 들뜨게 되면 반도체에서 나타나는 준입자 엑시톤의 존재를 예측했다. 전자는 더 높은 에너지 상태로 바뀌고 물질의 전도대(band)로 점프한다.
양전하를 띤 전자 홀은 원래 위치에 남아 있다. 이것은 ‘달아난’ 전자와 결합하고 둘 다 함께 결정을 통해 이동할 수 있는 준입자를 형성한다.

보이지 않는 준입자

몇 년 전에 연구자들은 이러한 단명한 엑시톤 중 일부를 처음 발견했다.
이러한 ‘밝은’ 엑시톤은 빛과 상호 작용하므로 특수 분광법을 사용해 감지할 수 있다.
"어두운 엑시톤"은 상황이 다르다. 이들을 사용하면 전자의 운동량과 전자 구멍의 운동량이 서로 다르기 때문에 일반적인 검출 방법에서는 보이지 않는다.

▲ 실험 설정 : 레이저 펄스가 반도체 재료를 들뜨게 한다. 그런 다음 초고속 UV 레이저 펄스가 엑시톤의 전자를 재료에서 제거한다. 광 방출 전자 현미경은 에너지와 운동량을 측정한다. © OIST

오키나와 과학기술 연구소의 제1저자 쥴리엔 마데오(Julien Madeo)는 “그것이 존재한다는 것을 알고 있지만 볼 수 없으며 직접 조사할 수도 없다. 그래서 우리는 그들이 그러한 반도체 재료의 광전자 특성에 얼마나 강한 영향을 미치는지 알지 못한다"고 말했다.
그러나 그와 그의 팀은 최근 이러한 보이지 않는 준입자도 검출할 수 있는 방법을 개발했다.

전자는 어두운 엑시톤의 존재를 나타낸다.

물리학자들은 실험을 위해 반도체 재료 텅스텐 디셀레니드(WSe2)의 원자층을 사용하고 가시 광선 및 근적외선 범위의 초고속 레이저 펄스로 들뜨게 했다. 그런 다음 연구원들은 극한의 UV 범위에서 레이저 펄스로 재료를 촬영했다. 이러한 고에너지 펄스는 준입자를 분리하고 전자를 물질 밖으로 내보낸다.

▲ Wannier-Mott 엑시톤, 결정 위치에 국한되지 않은 결합 된 전자-홀 쌍. 이 그림은 격자에 걸친 엑시톤의 확산을 개략적으로 보여준다. Source : Drawn by Inkscape / Author:狩野 大

이 방출된 전자의 운동량과 에너지 함량은 이들이 엑시톤에서 오는지 그리고 어떤 것에서 오는지에 대해 읽을 수 있다. Madeo의 동료 미셀 만(Michael Man)은 "이 기술이 엑시톤에 얼마나 잘 작동할 수 있을까 확실하지 않았다"고 말했다. 이는 이러한 준 입자의 수명이 매우 짧아 측정에 사용된 광방출 전자 현미경의 시간 및 공간 해상도가 매우 높아야 하기 때문이다.

성공적인 증명

실험은 성공했다.
"모든 기술적인 문제를 해결하고 기기를 켰을 때 엑시톤이 실제로 우리 화면에 나타났다. 정말 믿을 수 없었다"고 Man은 말했다. 측정된 운동량을 사용해 그와 그의 동료들은 밝은 K 엑시톤의 특징과 ‘금지된 운동량’을 가진 어두운 Q-준입자의 특징을 명확하게 구분할 수 있었다. 처음으로 어두운 엑시톤을 직접 감지할 수 있었다.

흥미로운 점은 측정 결과 반도체에서 들뜬 어두운 엑시톤이 밝은 엑시톤보다 수명이 더 길고 밝은 엑시톤이 어두운 엑시톤으로 변형될 수 있음이 밝혀졌다. 잠시 후 이러한 준입자의 어두운 변종이 반도체에서 우세하기 시작했다.

▲ 어두운 엑시톤 (빨간색)과 밝은 엑시톤(파란색)의 증거. © Madeo et al./ Science 2020, OIST

Madeo와 그의 팀은 "예상대로 K-Exctions는 매우 빠르게 나타났다”고 말했다. “나중에 우리는 어두운 Q-엑시톤 입자들이 분명하게 풍부해지는 것을 보았다.”
그 양은 밝은 엑시톤의 두 배가 됐다. 동시에 측정 결과 어두운 준입자가 특정 조건에서 밝은 입자로 다시 전환될 수 있다는 것이 밝혀졌다.

반도체 연구 및 광전자 공학에 중요

"다크 엑시톤의 우세와 이들과 밝은 엑시톤 사이의 상호 작용은 이러한 보이지 않는 준입자가 예상보다 훨씬 더 2차원 반도체의 특성에 영향을 미친다는 것을 시사한다"고 Madeo는 말한다. 이 지식은 예를 들어 양자 통신 또는 기타 광전자 분야와 같은 반도체 재료의 사용 및 개발에 광범위한 의미를 가질 수 있다.

Madeo의 동료 케스하브 다니(Keshav Dani)는 “이 기술은 진정한 혁신이다. 우리가 처음으로 어두운 엑시톤과 그 특성을 관찰만 할 수 있던 것이 아니다. 엑시톤과 다른 들뜬 입자 연구에 새로운 시대를 열었다.”고 말했다.
(Science, 2020; doi : 10.1126 / science.aba1029)

출처 : Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) , AAAS

[더사이언스플러스=문광주 기자] "No Science, No Future"

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]