자기장으로 전환 가능한 이중 성분 엑시톤 응집체 실험 확인

60년 이상 이어진 과제: 고체 내 엑시톤 BEC

보스-아인슈타인 응집(BEC)은 다수의 입자가 개별 정체성을 잃고 하나의 집단적 양자 상태로 거동하는 현상으로, 흔히 다섯 번째 물질 상태로 분류된다. 전자와 정공(hole)이 결합한 쌍인 엑시톤으로 BEC를 구현하려는 시도는 60년 이상 이어졌으나 핵심적 난관이 있었다. 광학적으로 생성된 엑시톤의 수명이 약 10억분의 1초에 불과한 데다, 기존 BEC 실험은 진공 속 초냉각 원자 기체를 전제로 했기 때문에 반도체 소자와의 결합이 용이하지 않았다.

소자 설계: 바닥 상태 엑시톤 확보

Berkeley Lab 연구진은 2차원 반도체 이중층 소자를 설계해 이 문제에 접근했다. 상부층에는 이셀레늄화몰리브덴(MoSe₂)을 배치해 전자를, 하부층에는 이셀레늄화텅스텐(WSe₂)을 배치해 정공을 가두었다. 두 층 사이는 수 원자 두께의 육방정계 질화붕소(hBN) 박막으로 분리하여 전자와 정공이 결합해 엑시톤을 형성하면서도 들뜬 상태가 아닌 바닥 상태에 머물도록 설계했다. 소자 상하단의 전기 게이트로 엑시톤 밀도를 조절할 수 있다.

극저온 환경에서 자기광학 분광법(magneto-optical spectroscopy)으로 측정한 결과, 엑시톤은 집단적 응집 거동을 보였다. 특히 응집체 신호가 약 2켈빈(-456°F) 부근까지 유지됐는데, 이는 초냉각 원자 기체 기반 BEC보다 수백만 배 높은 온도에 해당한다.

핵심 발견: 두 성분 응집체와 스핀-밸리 전환

이번 연구의 주요 발견은 BEC가 단순한 단일 상태가 아니라는 점이다. 원자 두께 반도체에서 전자와 정공은 전하와 스핀 외에도 결정 내 운동 자유도와 연결된 '밸리(valley)'라는 양자 성질을 지닌다. 스핀-밸리 자유도의 조합에 따라 엑시톤은 위-위, 아래-아래, 위-아래, 아래-위 등 여러 구조, 즉 '풍미(flavor)'를 가질 수 있다.

연구진은 형성된 BEC가 서로 다른 스핀-밸리 구조를 가진 두 성분으로 이루어져 있음을 확인했다. 이 이중 성분 구조는 복수의 응집 상(phase)을 만들며, 외부에서 약한 자기장을 인가하는 것만으로 상 사이를 전환할 수 있다. 이는 같은 엑시톤 유체 안에 여러 양자 상태가 내재되어 있으며, 외부 제어가 가능함을 의미한다.

의의와 한계

이번 연구는 전기·자기 조건을 통해 제어 가능한 고체 상태 양자 유체 플랫폼을 처음으로 실험적으로 구현했다는 점에서 의의가 있다. 연구진은 이 플랫폼이 양자 시뮬레이션, 차세대 통신과 컴퓨팅을 위한 코히어런트 광전자 소자, 엑시톤 기반 고속·고효율 컴퓨팅 소자 등으로 이어질 수 있다고 본다. 향후 과제로는 초유체 기반 양자 소자 및 회로 구현이 제시됐다.

다만 현재 동작 온도인 약 2켈빈은 여전히 극저온 장비를 요구한다. 실용 수준의 소자로 발전하기 위해서는 동작 온도 상승과 소자 안정성 확보라는 기술적 과제가 남아 있다.