다이아몬드의 전자·정공대(正孔對) 고온·고밀도에서 액체 방울로 전환 東京대학 물리공학 전공의 五神眞 교수 등과 東京가스는 공동으로 다이아몬드의 전자·정공대가 고온에서 고밀도의 액체방울로 응축하는 과정을 처음으로 발견했다. 다이아몬드에 펨트초 펄스광을 조사하고, 초고속 시간분해 분광법으로 액체방울로 상전이하는 모습을 확인한 것. 임계온도는 165K(마이너스 108℃)로 종래보다 100℃ 이상이나 높고, 캐리어 밀도도 2자릿수 높은 1입방센티미터 당 10의 20승대를 관측. 고밀도이기 때문에 강한 양자효과를 기대할 수 있어 다이아몬드가 새로운 기능을 발휘하는 재료계가 될 것으로 주목된다. 東大와 東가스 강한 양자효과 기대 시간분해분광법으로 확인 이 연구는 과학기술진행사업단의 五神협동 여기 프로젝트와 연대하여 이루어졌다. 東京가스가 고온·고압에서 제작한 고순도 다이아몬드 결정에 펨트초 펄스 레이저를 쏘아 고밀도로 전자·정공을 발생시키고, 초고속 시간분해분광법으로 계측했다. 그 결과, 기체상의 전자·정공대가 액체로 상전이하여 액체방울이 형성되는 과정을 확인했다. 전자와 정공이 대(對)를 형성하자 여기자(勵起子)를 만드는데, 고밀도로 전자와 정공이 존재하면, 질량이 가볍기 때문에 제각기 흩어진 플라즘 상태가 된다. 이 기체상태가 극저온이 되면 금속적인 액체로 상전이한다. 이러한 현상은 실리콘이나 게르마늄 등 다이아몬드와 마찬가지로 별로 빛을 발하지 않는 간접천이형 반도체에서 수 십년 전에 발견되었으나 모두 액체 헬륨(4.2K)로 차가운 극저온에서만 일어나고, 게다가 캐리어 밀도가 동 10의 17승에서 18승대에 머물러 있었다. 다이아몬드의 경우는 액체방울에의 임계온도가 165K로 고온에서 일어나고, 게다가 불순물 도프에서는 실현 불가능할 정도로 고밀도가 된다는 것이 지금까지의 재료에는 없었던 특징. 이것은 다이아몬드가 탄소라는 경원소로 된 반도체이며 동시에 액체의 안정화를 위한 전자구조를 취하기 있기 때문이라고 한다. 따라서 임계온도가 높은 다이아몬드의 경우는 지금까지 계측할 수 없었던 금속적인 액체발울의 물성을 넓은 온도범위에서 계측할 수 있는 재료계가 되는 이외에 캐리어 밀도가 높기 때문에 비선형 광학효과나 전자전도 등에 강한 양자효과를 기대할 수 있는 새로운 재료계가 될 가능성을 내포, 앞으로의 물성연구가 주목된다. 다이아몬드를 사용한 LED도 이미 여기자가 기여한 파장대에서 동경가스 등이 실온발광에 성공했다. 이번 발견은 다이아몬드 LED를 보다 고강도로 발광하기 위해 전류를 많이 주입하자 여기자대가 아니라 다른 파장요소가 강해지기 시작했다는 것을 나타내는 것으로, 다이아몬드 발광소자의 실용화에 관해서도 중요한 식견이 된다. (NK)