전북대학교는 진경환 물리학과 교수(G-램프 물질에너지기초과학연구소) 연구팀이 국제 공동연구를 통해 엑시톤 양자 응축 상태에서 불순물에 의해 만들어지는 새로운 양자 속박 상태를 세계 최초로 관찰했다고 8일 밝혔다.
이번 성과는 나노과학 분야 최고 권위 국제학술지인 '네이처 나노테크놀로지' 온라인판에 게재됐다. 논문 제목은 '엑시톤 응축물에서의 결함 유도 속박 상태: 유-시바-루시노프 상태의 아날로그'다.
연구팀은 물질 안에서 전자와 정공이 서로 짝을 이뤄 만드는 특별한 양자 상태인 '엑시톤 응축체' 속에 아주 작은 불순물이 들어갔을 때 어떤 변화가 일어나는지를 원자 수준에서 들여다봤다. 그 결과 불순물 주변에서 전자와 정공의 결합이 국소적으로 흔들리며, 마치 작은 '양자 덫'처럼 전자를 붙잡는 독특한 상태가 생긴다는 사실을 확인했다.
그동안 초전도체에서는 자성을 띤 불순물이 전자쌍의 결합을 교란하면 에너지 틈 안에 특이한 양자 상태가 나타나는 현상이 잘 알려져 있었다. 이를 유-시바-루시노프(YSR) 상태라고 부른다. 그러나 전자와 정공이 결합한 엑시톤 응축체에서도 이와 비슷한 현상이 실제로 나타나는지는 이론적으로만 예측돼 왔을 뿐, 실험으로 확인된 적은 없었다.
연구팀은 상온 이하에서 엑시톤 절연체 성질을 보이는 층상 물질 '탄탈럼-팔라듐-텔루륨(Ta₂Pd₃Te5)'을 연구 대상으로 삼았다. 주사터널링현미경과 분광학 장비로 원자 하나하나를 관찰한 결과, 특정 팔라듐(Pd) 결함 주변에서 에너지 갭 내부에 한 쌍의 뚜렷한 양자 속박 상태가 나타나는 모습을 포착했다. 이론적 분석으로 결함 부위에 형성된 국소 전하 쌍극자가 엑시톤 질서를 교란하면서 이러한 속박 상태를 형성한다는 메커니즘도 규명했다.
이번 발견의 핵심은 불순물을 단순한 '방해 요소'가 아니라, 보이지 않는 양자 응축 상태의 성질을 읽어내는 미세한 탐침으로 활용할 수 있다는 데 있다. 이는 향후 저전력 전자·정보처리 소자와 고성능 광전자·양자정보소자 개발에 새로운 가능성을 제시한다.
특히 엑시톤 응축체는 전자와 정공의 결합 상태를 활용하기 때문에 기존 전자소자보다 적은 에너지로 정보를 처리하는 새로운 방식의 기반이 될 수 있다. 다만 현재는 상용화 기술이라기보다, 상온 부근에서 작동 가능한 차세대 양자소자의 원리를 이해하고 제어하기 위한 기초연구 성과다.
진경환 교수는 “이번 연구는 초전도체에서 잘 알려진 YSR 상태에 대응하는 다체 양자 현상을 엑시톤 응축체에서 처음으로 직접 관찰한 성과”라며 “상온 수준까지 유지되는 고온 엑시톤 응축물의 미시적 양자 특성을 정밀하게 제어하고 측정할 수 있는 새로운 도구를 제시했다는 데 의미가 있다”고 말했다. 이어 “향후 에너지 손실이 적은 초고속 양자정보소자와 간섭성 광전자소자 분야로 응용 연구를 확장해 나갈 계획”이라고 밝혔다.
한편, 이번 연구는 전북대를 비롯해 기초과학연구원(IBS) 원자제어 저차원 전자계 연구단, 포항공과대학교(POSTECH), 미국 뉴욕주립대 버펄로 등이 참여한 국제 공동연구로 수행됐다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 대학기초연구소 지원사업(G-LAMP) 등의 지원을 받았다.
전주=김한식 기자 hskim@etnews.com
