신비한 물질 ‘엑시토늄’ 존재 증명

과학기술

신비한 물질 ‘엑시토늄’ 존재 증명
50여 년 만에 실험으로 입증

2017.12.12 10:14 심재율 객원기자

수 십 년 전, 과학자들은 엑시토늄(excitonium)이라는 물질이 있을 것이라는 이론을 세웠다. 그런데 진짜로, 혁신적인 실험을 벌여 마침내 과학자들은 엑시토늄이라는 물질의 존재를 증명했다.

미국 일리노이대학 과학자들은 보손(boson)입자의 한 종류인 엑시토늄의 존재를 입증하는 실험결과를 발표하고 이 내용을 12월 8일 사이언스(Science)에 게재했다.

이 대학의 피터 아바몬트(Peter Abbamonte) 교수는 버클리대학과 암스테르담대학 과학자들과 공동으로 이 이상하고 신비한 물질의 존재를 증명했다. 과학자들은 50여년 전에 엑시토늄이 존재해야 한다는 이론적인 배경을 제시했으나 지금까지 완전하게 증명되지 않은 물질이다.

엑시톤의 집단 여기를 표현한 개념도 ⓒ Peter Abbamonte, U. of I

엑시토늄은 엑시톤(exciton)으로 만들어진 응축물이다. 엑시톤은 도망가는 전자와 이 전자가 남기는 구멍을 결합할 때 얻을 수 있다. 이 양자역학적인 짝지음은 반도체에서는 한 원자 안에서, 어느 에너지 레벨의 경계에 있는 전자가 흥분하면 다른 에너지 레벨로 점프가 가능하다. 이때 앞 부분 레벨에 구멍을 남긴다. 이 구멍이 양충전된 입자 역할을 하므로 음충전된 전자를 끌어당긴다.

일리노이대 연구팀 ‘사이언스’에 발표

엑시톤의 존재를 증명하기 위해 연구팀은 전이금속인 ‘디칼코제나이드 티타늄 디셀레니드’ (dichalcogenide titanium diselenide 1T-TiSe2)가 입혀진 결정을 연구했다. 연구팀은 5번이나 같은 결과를 얻는 실험을 되풀이할 수 있었다.

지금까지 과학자들은 엑시토늄을 탐지하거나 그 물질의 유사한 상을 탐지하는데 필요한 실험기구를 갖지 못했다. 그러나 새로운 기술을 사용함으로써 연구팀은 사상 처음으로 저준위 보손 입자의 집단적인 여기를 측정할 수 있었다.

다른 말로 표현하면 이번 실험은 엑시톤 농축의 전구물질이 되는 ‘부드러운 플라스몬 상’(plasmon phase)을 최초로 관측한 것이다.

아바몬트 교수는 “이번 결과는 우주적인 중요성이 있다”고 말했다. 1960년대에 하버드 이론물리학자인 버트 할퍼린(Bert Halperin 1941~) 교수가 ‘엑시토늄’이라는 물질을 주장한 이후 물리학자들은 이 존재를 증명하려 노력했다. 이론물리학자들은 엑시토늄이 절연체이면서, 완벽한 유도체이고, 초유동체라고 주장했다.

아바몬트 교수는 “1970년대 이후 많은 실험과학자들은 엑시토늄이 존재한다는 증거를 발표했지만, 이들의 발견은 결정적인 증거가 아니었기 때문에 전통적인 구조상전이에 의해서 쉽게 설명이 되었다”고 말했다.

엑시토늄이 존재한다는 사실이 증명되었고 실험에 의해서 확실하게 관찰된 만큼 엑시토늄의 특성을 파악해서 응용할 수 있을 것으로 전망된다. 가장 확실한 것은 초전도체로서 그리고 초유동체로서 이 물질은 이미 존재하는 기술을 더 발전시키는데 이용될 수 있다.

게다가 엑스토늄의 양자현상을 분석하면, 현재의 양자 퍼즐의 미스터리를 해결하는데 도움을 줄 수 있다. 엑시토늄의 미래가 어떠할지 정확히 예측하기는 불가능하지만, 확실한 것은 그 전 보다 더 많은 가능성이 있다는 점이다.

엑시토늄은 응축물로서 초전도이거나 초유동체이거나 절연체인 양자적 특성을 갖는다. 그렇다면 어째서 엑시토늄을 실제 물질로 발견하는데 50년이 걸렸을까.

지금까지 과학자들은 엑시토늄처럼 보이는 것이 실제로는 루돌프 파이얼스(Rudolph Peierls 1907~1995)가 주장한 파이얼스 상전이(Peierls phase)가 아닌지를 구분할 수 있는 실험적인 도구를 갖지 못했다. 비록 그것이 엑시톤 형성과 완전히 관계가 없지만 파이얼스 상전이와 엑시톤 농축은 같은 대칭과 유사한 사후측정치를 공유한다.

아바몬트교수(가운데)와 안슐 코가(오른쪽) 민디 랙 ⓒ Brian Stauffer, University of Illinois at Urbana-Champaign

아바몬트 교수 연구팀은 이 문제를 M-EELS (momentum-resolved electron energy-loss spectroscopy)이라는 새로운 기술을 이용해서 극복할 수 있었다. M-EELS는 엑스레이나 중성자 산란기술에 비해서, 전자가 충만한 에너지대인 ‘발란스 밴드’(valence band)에 더욱 민감하게 반응한다.

대학원생인 안슐 코가(Anshul Kogar)는 EEL 분광계를 응용한 이 장치로 전자의 궤적만 추적할 수 있기 때문에 실제공간에서 전자의 모멘텀을 정확히 측정할 수 있었다.

이 새 기술을 가지고 연구팀은 사상 처음으로 저에너지 준위의 보손 입자의 집단적인 흥분(여기)를 측정할 수 있었다.

‘부드러운 플라스몬’ 현상으로 입증

이같은 ‘부드러운 플라스몬 상’은 엑시토늄을 발견했다는 확실한 증거인 동시에, 3차원 고체에서 엑시톤이 농축한다는 확실한 증거인 것이다.

이번 연구에 참여한 대학원생 민디 랙(Mindy Rak)은 “우리들이 첫 번째로 TiSe2를 측정하는 결과를 얻었을 때, 안슐은 ‘우리는 지금까지 어느 누구도 보지 못한 것, 소프트 플라스몬을 방금 측정했다’고 흥분해서 나에게 설명했다”고 말했다.

플라스몬(plasmon)은 금속 내 자유전자가 집단으로 진동하는 유사입자를 말한다. 금속 나노입자에는 플라스몬이 표면에 부분적으로 존재하기 때문에 표면 플라스몬이라고 부르기도 한다. 가시광선에서 근적외선 대역의 빛과 만나면 광흡수가 일어나 색깔을 띠게 된다. 이는 ‘표면 플라스몬 공명’이라고 하며, 전기장을 발생시킨다.

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