대단히 효과적으로 포획되고 냉각된 엑시톤들이 응축되어 거대한 물질파를 형성했다. 이번 성과 덕분에 과학자들은 엑시톤의 물리적 성질을 연구할 수 있게 될 것이다. 비록 엑시톤은 매우 짧은 순간에만 존재하지만, 이번 성과는 태양에너지와 초고속 전산 분야에 응용될 가능성이 있다.

비록 완전한 원자가 트랩 속에 가둬져서 냉각되었을 때 이런 거동을 보인 적은 있지만, 아원자 입자들이 트랩 속에서 결맞음 물질파를 형성하는 것을 연구자들이 관측한 것은 이번이 처음이다. “트랩 속에서 엑시톤의 응집이 실현됨으로써, 이렇게 흥미로운 상태를 연구할 기회가 열리게 되었다. 트랩을 이용하면 응축물을 제어할 수 있기 때문에, 빛과 물질의 기본적인 특성들을 연구하기 위한 새로운 수단이 제공될 수 있다.”라고 UC샌디에이고의 물리학 교수인 레오니드 부토프(Leonid Butov)는 말했다.

엑시톤은 반도체에서 전자가 빠져나간 자리에 남은 ‘정공(hole)’과 전자로 구성된 복합 입자이다. 이렇게 결합된 쌍은 빛에 의해서 생성되며 자연에 존재하면서 종종 광합성과 같은 상황에서 중요한 역할을 한다. 양자역학적 관점에서 볼 때, 엑시톤은 입자와 파동 양쪽의 이중 특성을 가진다. 파동은 대개 동기화되지 않지만, 입자들이 충분히 냉각되어 응축되면, 그 파동은 동기화되고 결합되어 거대한 물질파를 형성한다. 이러한 상태는 다른 연구자들에 의해서 원자에서 관측된 바 있다.

엑시톤은 반도체에서 빛에 의해 쉽게 만들어질 수 있지만, 엑시톤이 응집되기 위해서는 엑시톤들이 재결합하기 전에 냉각되어야만 한다. 이것을 달성하기 위해서, UCSD 과학자들은 전자들이 자신들의 정공들로부터 충분히 멀리 떨어지도록 분리시킴으로써 응집 상태로 냉각되기에 충분히 오랫동안 지속될 수 있도록 만들었다. 그런 뒤 연구진은 갈륨, 비소 및 알루미늄으로 만들어진 서로 다른 합금 층들 속의 정공으로부터 전자들을 분리시키는 결합 양자우물(coupled quantum wells)을 제작했다. 그런 뒤 그들은 다이아몬드 모양의 전극으로 만들어진 정전 트랩을 설치하고, 광학 희석식 응결기 속에서 자신들의 특별한 반도체 재료를 절대영도보다 아주 약간만 높은 온도인 50 mK까지 냉각시켰다.

재료의 표면에 레이저 빔을 집속시키자 엑시톤들이 형성되었고, 냉각을 진행함에 따라서 트랩의 밑바닥에 엑시톤들이 축적되기 시작했다. 엑시톤들로 구성된 전체 구름은 1 K 아래에서 응집하여 단일 물질파를 형성하였고, 이것은 보즈-아인슈타인 응축물(Bose-Einstein condensate)이라는 상태의 특징이다. 트랩의 크기와 깊이를 변화시킨다면 결맞는 엑시톤의 상태가 바뀌게 될 것이며, 그 결과 과학자들은 빛과 물질의 상태를 새로운 방식으로 연구할 수 있을 것이다. 이번 연구는 ‘Nano Letters’에 발표되었다.

* 그림 : 절대영도보다 아주 약간 높은 온도로 냉각되자 엑시톤들이 정전트랩 바닥에 축적외어 자발적으로 결맞는 물질파를 형성하였다. 반도체의 서로 분리된 층들에 있는 전자와 정공들로 만들어진 간접 엑시톤이었기 때문에, 이러한 상태로 냉각되기에 충분히 오랫동안 존속할 수 있었다.