엑시톤에 대해서 알아보아요

최근 양자컴퓨터 개발과 관련해서 많은 연구들이 진행되고있는데요, 이 중에서도 특히나 주목받고있는 분야가 바로 엑시톤(Exciton)입니다. 엑시톤이란 전기장 내에서 전자와 양공(Hole)이 결합되어 빛을 내는 물질로서, 마치 태양빛처럼 강한 에너지를 방출한다고 합니다. 이렇게 강력한 에너지원인 엑시톤을 이용하면 기존 컴퓨터로는 계산하기 어려웠던 문제들을 해결할 수 있다고 하는데요, 과연 어떤 원리인지 살펴보도록 하겠습니다.

 

 

엑시톤이라는 이름은 어디서 유래되었나요?

 

엑시톤은 그리스어로 `불타는` 이라는 뜻을 가진 단어 Excisio 에서 유래되었습니다. 즉, 불타고 있다는 의미겠죠? 실제로 엑시톤은 상온에서 고체상태로 존재하는데, 열에너지를 흡수하면 플라즈마 상태로 변하면서 엄청난 세기의 빛을 낸다고 해요. 이러한 특성 덕분에 엑시톤은 반도체 산업에서 매우 중요한 소재로 활용될 수 있답니다.

 

양자컴퓨터에서는 왜 엑시톤을 강조하나요?

 

기존 슈퍼컴퓨터로도 풀기 어려운 난제였던 슈뢰딩거의 방정식을 풀어낸 양자컴퓨터 시대가 도래했습니다. 하지만 아직까지는 이론상으로만 구현가능하며 실용화 단계까진 시간이 걸릴 전망이에요. 따라서 현재로서는 엑시톤 같은 새로운 개념의 소자개발이 더욱 중요한데요, 왜냐하면 엑시톤은 높은 효율성 뿐만 아니라 다양한 장점을 가지고 있기 때문이죠.

 

엑시톤 소자는 어떻게 만들어지나요?

 

엑시톤은 두 가지 방법으로 생성됩니다. 첫 번째는 고온고압 환경에서 원자핵으로부터 전자를 떼어내는 방법이고, 두 번째는 고전압 펄스를 가해 전자-양공 쌍을 만드는 방법입니다. 먼저 1번 방법으로는 수소원자로부터 헬륨원자로의 핵융합 반응을 유도함으로써 발생시킬 수 있으며, 2번 방법으로는 고출력 고주파 전류를 흘려주어 전자-양공 쌍을 형성시키는 방법입니다.

 

엑시톤이라는 단어가 생소한데 어떤 의미인가요?

 

전자와 양전하를 띤 핵간의 힘을 쿨롱힘이라고 하는데, 이러한 쿨롱힘으로부터 에너지를 받아 들뜬 상태에 있는 준입자를 엑시톤이라고 합니다. 즉, 두 개의 전자가 서로 반발하면서 한쪽 방향으로 이동하다가 다른 쪽 끝에 도달하면 강한 정전기적 인력에 의해 다시 원래 위치로 돌아오게 됩니다. 이렇게 되면 에너지는 열에너지나 운동에너지 등으로 바뀌게 되는데, 이것이 곧 엑시톤이라 불리는 현상입니다.

 

엑시톤은 어떻게 발견되었나요?

 

1937년 미국의 화학자 폴 디랙(Paul Dirac)은 양자역학 이론을 이용하여 흑체 복사 스펙트럼 분석을 시도하였습니다. 당시 대부분의 과학자들은 태양빛처럼 연속스펙트럼을 갖는다고 믿고 있었지만, 디랙은 자신의 실험 결과로부터 특정 파장 영역에서는 불연속적인 선스펙트럼이 나타난다는 결론을 얻었습니다. 이후 1950년대 초 영국의 물리학자 피터 힉스(Peter Higgs)는 우주 초기 빅뱅 때 생성된 소립자가 붕괴되면서 만들어진 새로운 입자들을 연구하던 중 우연히 지금까지의 모든 입자들과는 전혀 다른 성질을 가진 미지의 입자를 발견하게 되었습니다. 그것이 바로 ‘힉스 보손’이며, 현재 우리가 알고 있는 표준모형이론에서의 4가지 쿼크 및 6개의 렙톤 이외에 새롭게 등장한 입자로서 질량을 부여하는 매개입자인 힉스 보손 역시 강력한 후보군 가운데 하나였습니다.

 

현재 존재하는 대표적인 엑시톤으로는 뭐가 있나요?

 

대표적인 엑시톤으로는 알파-헬륨4원자핵과 헬륨6원자핵 간의 결합체인 파이온(pion)이 있습니다. 특히 최근에는 차세대 반도체 소자 개발을 위한 신물질 탐색 과정에서 기존 실리콘 소재와는 달리 상온에서 안정적이고 높은 전도성을 나타내는 엑시톤 재료로써 그래핀 기반의 2차원 구조물이 주목받고 있습니다.

 

글을 마치며

 

엑시톤이란 원자핵과 전자 사이의 전기적 인력인 쿨롱힘(Coulomb force)으로부터 에너지를 받아 들뜬 상태에 있는 준입자입니다. 이 입자는 빛에너지 형태로 방출되며, 이때 발생하는 광자들이 주변 물질과의 상호작용을 통해 다양한 물리적 특성을 나타내는데 이를 엑시톤 효과라고 합니다.

 

지금까지 엑시톤에 대해 알아보았는데요, 앞으로 다가올 미래사회에선 엑시톤같은 신개념 기술들이 많이 등장하겠죠? 우리 모두 열심히 공부해서 과학에 대해 한 발 더 다가설 수 있게 되기를 바랍니다~!