음의 질량을 가진 전자 발견

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-09-21 18:41:18
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* 우리 일상생활의 물체는 양의 질량을 가지고 있다.
* 양자 물리학에는 다른 규칙 적용, 속도가 증가함에 따라 입자의 운동 에너지가 더 적을 수도
* 반도체 재료인 이셀렌화 텅스텐(WSe2)으로 실험하는 동안 이 현상을 발견
* 엑시톤은 전자의 음의 질량에도 불구하고 상대적으로 안정적일 수 있다(최소 100펨토초)

음의 질량을 가진 전자를 생성
반도체 재료는 에너지가 공급될 때 이국적인 엑시톤(exciton, 勵起子)를 형성한다.


예측과 다른 물질 세계:
물리학자들이 물질에서 음의 질량을 가진 전자를 발견했다.
이들의 존재로 인해 반도체는 적색 레이저로 들뜬 후 청색, 고에너지 광의 피크를 방출했다.
이 효과는 전자와 전자 정공의 쌍인 신비로운 엑시톤의 형성을 시사한다. 이 경우, 전자는 전도 대역으로 특히 높게 발사돼 음의 질량을 받았다. 연구팀이 "Nature Communications" 저널에 보고한 내용이다. 

▲ 불가능해 보이지만, 적색 레이저 빔으로 여기되면 텅스텐 디셀레나이드가 더 활기찬 청색광을 방출한다.

© Felix Hofmann


우리 일상생활의 물체는 양의 질량을 가지고 있다.
그것들은 일정한 관성으로 움직임에 반작용을 일으키며, 우리가 그것들을 충동으로 움직이게 하면 우리가 밀었던 방향으로 움직인다. 물체나 입자의 질량이 클수록 그것을 움직이게 하기 위해 더 많은 에너지를 가해야 한다. 이것은 뉴턴의 공식, F=ma(힘 = 질량 곱하기 가속)에서 나온다.

뒤로 밀 때

그러나 양자 물리학에는 다른 규칙이 적용된다.
입자가 충돌할 때 운동량 방향과 반대로 뒤로 이동할 수 있다. 속도가 증가함에 따라 입자의 운동 에너지가 더 많지는 않고 더 적을 수도 있다. 또는 두 입자의 중력이 갑자기 역전되어 인력이 아닌 접합부 역할을 하는 것이다.

이 모든 것 뒤에는 음의 질량 개념이 있다.
질량에 대한 음의 부호는 많은 힘 효과의 일반적인 효과를 반전시킨다. 이것은 고전 물리학에서는 불가능한 것처럼 보이지만 입자와 준 입자의 영역에서는 상당히 상상할 수 있고 심지어 실현 가능하다.

예를 들어, 2017년에 한 연구팀이 극저온 원자를 조작해 방향이 아닌 힘 효과 충격의 근원을 향하도록 했다. 따라서 그들의 질량은 음이었다.
▲ 그림 1: 상부 전도대에 전자가 있고 최상위 가전자대에 정공이 있는 단층 WSe2에서 고위 여기자(HX)의 형성. From: 단층 WSe2에 음의 질량 전자가 있는 협대역 높은 엑시톤 (출처:관련논문 Narrow-band high-lying excitons with negative-mass electrons in monolayer WSe2)

높은 엑시톤의 궤적에서

최근 물리학자는 그러한 음의 질량을 가진 전자를 관찰하는 데 성공했다.
Regensburg 대학의 린 카이-기앙(Kai-Qiang Lin)과 동료들은 반도체 재료인 이셀렌화 텅스텐(WSe2)으로 실험하는 동안 이 현상을 발견했다. 이 물질이 에너지를 공급해 극저온 상태에서 여기되면 전자와 전자 갭으로 구성된 가상 입자인 여기자(exciton)가 발생할 수 있다.

연구를 위해 Lin과 그의 동료들은 레이저 충격을 가해 전자를 훨씬 더 높은 전도 대역으로 강제함으로써 그러한 엑시톤이 더 높은 에너지 수준으로 될 수 있는지 조사했다. 이론에 따르면, 소위 high-lying exciton(HX)이 발생할 수 있을 뿐만 아니라 다른 에너지의 엑시톤의 다층 구조가 재료에 형성될 것이다.

이를 테스트하기 위해 물리학자들은 716나노미터 파장의 레이저로 이셀렌화 텅스텐의 단일 원자층에 조사하고 광학 분광법을 사용하여 반응을 모니터링했다.

파란색 피크 표시

결과적으로 놀라운 사실이 밝혀졌다.
실제로 이러한 적색광의 여기로 인해 물질이 먼저 에너지를 흡수한 다음 약간 낮은 에너지로 더 긴 파장의 복사를 방출해야 한다. 그러나 그 반대의 경우가 있었다. 반도체는 또한 더 짧은 파장을 방출하고 따라서 더 활기찬 청색광을 방출했다. "이 상향 변환된 청색광은 스펙트럼에서 일련의 10개의 피크로 볼 수 있다"고 Lin과 그의 동료들은 보고했다.

물리학자들이 설명하듯이, 측정 결과는 반도체에서 실제로 높은 엑시톤이 형성되었음을 시사한다. 그러나 청색광은 이러한 전자쌍과 전자 간격의 전자가 음의 질량을 갖는 경우에만 설명될 수 있다. "교대 피크 강도의 관찰은 음의 질량을 가진 전자가 관련되어 있음을 나타낸다"라고 팀은 썼다.

음의 질량에도 불구하고 안정적

Lin과 그의 동료들에 따르면, 그러한 엑시톤은 전자의 음의 질량에도 불구하고 상대적으로 안정적일 수 있다(최소 100펨토초 길이). 이것은 전자 정공의 질량이 양수이고 전자의 음의 질량보다 큰 경우다. 원래 상태로 돌아갈 때 점진적인 에너지 방출과 결합해 음의 질량은 파란색의 더 에너지 넘치는 빛을 방출한다.

"고전적인 궤도 운동에 비유한다면, 전자와 전자 정공의 거동을 공통 중심을 중심으로 회전하는 두 물체로 상상할 수 있다"고 연구원들은 설명한다. "그러나 이 중심은 두 입자 사이가 아니므로 둘 다 같은 방향으로 가속될 수 있다.“

그들의 의견으로는 실험에서 관찰된 효과는 엑시톤 물리학이 그러한 디칼코게나이드(dechalcogenide) 반도체에서 얼마나 복잡한지를 강조한다.
(Nature Communications, 2021; doi: 10.1038/s41467-021-25499-2)
출처: Universität Regensburg

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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