반도체에서 처음으로 다크 엑시톤(Dark Exciton)을 감지
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2020-12-07 10:23:52
(3분 30초 읽기)
1960년대 이론적 예측 숨겨진 입자를 실험으로 확인.
양자 통신, 광전자 분야와 같은 반도체 재료 사용 및 개발에 광범위한 의미.
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.
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.
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.
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
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.
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| ▲ 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.
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▲ 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.
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| ▲ 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.
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| ▲ 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"
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