눈에 보이지 않는 아주 작은 불순물이 오히려 물질 속에 숨겨진 양자 세계를 들여다보는 ‘탐침’이 될 수 있다는 사실이 실험으로 확인됐다.
전북대학교는 진경환 교수(물리학과·G-램프 물질에너지기초과학연구소) 연구팀이 국제 공동연구를 통해 엑시톤 양자 응축 상태에서 불순물에 의해 만들어지는 새로운 양자 속박 상태를 세계 최초로 관찰했다고 8일 밝혔다.
엑시톤은 물질 안에서 전자와 정공이 서로 끌어당겨 짝을 이룬 양자 상태다. 이러한 엑시톤이 집단으로 질서를 이루는 ‘엑시톤 응축체’에 미세한 불순물이 들어가면 어떤 변화가 생기는지는 그동안 이론적으로만 예측돼 왔다.
연구팀은 이 질문에 대한 답을 원자 수준의 관측을 통해 찾아냈다. 엑시톤 응축체에 존재하는 특정 불순물 주변에서 전자와 정공의 결합이 국소적으로 교란되면서 전자 등을 붙잡아 두는 일종의 ‘양자 덫’과 같은 새로운 속박 상태가 형성되는 현상을 포착한 것이다.
이번 연구에서 특히 주목되는 것은 초전도체에서 알려진 유-시바-루시노프(YSR) 상태와 유사한 양자 현상을 엑시톤 응축체에서 실제로 확인했다는 점이다. 초전도체에서는 자성을 띤 불순물이 전자쌍의 결합을 교란할 때 에너지 틈 내부에 특이한 양자 상태가 나타나는 것으로 알려져 있다. 하지만 전자와 정공이 결합한 엑시톤 응축체에서도 이에 대응하는 현상이 실제로 존재하는지는 실험적으로 확인되지 않았다.
연구팀은 상온 이하에서 엑시톤 절연체 특성을 보이는 층상 물질 탄탈럼-팔라듐-텔루륨(Ta₂Pd₃Te₅)을 연구 대상으로 삼았다. 주사터널링현미경과 분광학 장비를 활용해 물질 표면을 원자 단위로 관찰한 결과, 특정 팔라듐(Pd) 결함 주변에서 에너지 갭 내부에 한 쌍의 뚜렷한 양자 속박 상태가 나타나는 것을 확인했다.
이론 분석을 통해서는 결함 부위에 형성된 국소 전하 쌍극자가 엑시톤 질서를 교란하면서 속박 상태를 만들어낸다는 형성 메커니즘도 규명했다.
이번 발견은 불순물을 단순히 물질의 성능을 떨어뜨리는 ‘방해 요소’로만 보지 않고, 오히려 물질 내부에 형성된 양자 응축 상태의 특성을 읽어내는 미세한 탐침으로 활용할 수 있다는 가능성을 제시한다.
이는 향후 저전력 전자·정보처리 소자와 고성능 광전자·양자정보소자 연구에도 새로운 방향을 제시할 것으로 기대된다. 특히, 엑시톤 응축체는 전자와 정공의 결합 상태를 활용한다는 점에서 기존 전자소자보다 적은 에너지로 정보를 처리할 수 있는 차세대 소자 원리로 연구되고 있다. 다만, 이번 성과는 당장 상용화 기술로 이어지는 단계라기보다, 상온에 가까운 환경에서도 구현할 수 있는 차세대 양자소자의 원리를 이해하고 제어하기 위한 기초연구 성과라는 데 의미가 있다는 게 연구팀의 설명이다.
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 양자정보 소자와 간섭성 광전자 소자 분야로 응용 연구를 확장해 나갈 계획”이라고 밝혔다.
이번 연구 결과는 나노과학 분야 국제학술지 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)’ 온라인판에 게재됐다. 논문 제목은 ‘엑시톤 응축물에서의 결함 유도 속박 상태: 유-시바-루시노프 상태의 아날로그(Defect-bound states of exciton condensate: a Yu-Shiba-Rusinov-state analogue)’이다.
연구에는 전북대를 비롯해 기초과학연구원(IBS) 원자제어 저차원 전자계 연구단, 포항공과대학교(POSTECH), 미국 뉴욕주립대 버펄로(University at Buffalo) 등이 참여했다. 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 대학기초연구소 지원사업(G-LAMP) 등의 지원을 받아 수행됐다.