물리학자들이 다크 트리온 (dark trions)을 활용한 양자정보 (quantum information) 전송 가능성을 제시했다.

미국 캘리포니아대 (University of California, Riverside) 물리학자들이 반도체에서 다크 트리온 특성을 관찰, 제어해 기존 전자(electrons) 기반에서 양자 정보 전송 가능성을 밝혔다.

차세대 광응용 소재로 각광받는 이셀레늄화텅스텐 WSe2(ultraclean single-layer tungsten diselenide) 등 반도체에서 트리온은 세 개의 전하를 띤 입자의 양자 결합 상태(quantum bound state)를 말한다. 음 트리온은 두 개의 전자와 한 개의 구멍(hole) 을 포함하고, 양 트리온은 두 개의 구멍과 한 개의 전자를 포함한다. 구멍이란 반도체에 있는 전자의 빈 공간으로 양전하를 띤 입자처럼 작용한다. 한 개의 트리온은 세 개의 상호작용하는 입자를 포함, 단일 전자(electron)보다 훨씬 더 많은 정보를 운반할 수 있다.

오늘날 대부분의 전자기기는 전기를 전도하고 정보를 전송하기 위해 개별 전자를 사용한다. 트리온은 전하를 지니기 때문에, 움직임을 전기장에 의해 조절 가능해 정보 전달에 사용될 수 있다. 개별 전자에 비해 트리온은 제어할 수 있는 스핀과 모멘텀 지수와 풍부한 내부 구조를 가지고 있어 정보를 인코딩할 수 있다.

트리온은 뚜렷한 스핀 구성을 가진 밝고 다크 트리온으로 분류할 수 있다. 밝은 트리온은 전자와 반대 방향 스핀이 있는 구멍이 있다. 다크 트리온은 같은 스핀을 가진 전자와 구멍을 포함한다. 밝은 트리온은 빛에 강하게 결합하고 빛을 효율적으로 발산하는데, 이는 빛이 빨리 붕괴한다는 것을 의미한다. 반면 다크 트리온은 빛에 약하게 결합, 훨씬 더 느리게 붕괴한다.

연구원들은 다크 트리온 수명을 측정했고, 그것들이 더 흔한 밝은 트리온보다 100배 이상 더 오래 지속된다는 것을 발견했다. 긴 수명은 훨씬 더 먼 거리로 트리온 정보 전송을 가능하게 한다.

이번 연구를 주도한 천훙 루이(ChunHung Lui) UC리버사이드 물리천문학 부교수는 “이 연구는 빛에 의한 트리온 정보 작성과 읽기를 가능하게 한다”며 “다크 트리온과 밝은 트리온의 두 가지 변형을 만들어내고 그 안에 정보가 어떻게 암호화되는지를 제어할 수 있다”고 말했다.

이 연구 결과는 9일(현지시각) ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’지에 실렸다.

루이 연구실 박사후연구원인 제1저자 얼푸 류(Erfu Ruu)는 “우리의 연구 결과는 새로운 정보 전달 방법을 가능하게 할 수 있다”며 “다크 트리온은 수명이 길기 때문에 트리온 정보 전송을 실현하는데 도움을 줄 수 있다. 집에서 Wi-Fi 대역폭을 늘리는 것과 마찬가지로, 트리온 전송은 개별 전자보다 더 많은 정보를 얻을 수 있게 해준다”고 말했다.

연구원들은 WSe2 다크 트리온 에너지 수준이 밝은 트리온 에너지 수준 아래에 있기 때문에 그래핀 시트와 유사한 WSe2 원자 단층을 사용했다. 그러므로 다크 트리온들은 많은 수를 축적해 탐지가 가능하게 할 수 있다.

루이는 오늘날 대부분 트리온 연구가 빛을 많이 방출하고 쉽게 측정할 수 있는 밝은 트리온에 초점을 맞추고 있다고 설명했다.

그는 “우리는 단층 WSe2 장치의 서로 다른 전하 밀도 하 다크 트리온 거동에 초점을 맞추고 있다. 외부전압만 단순히 조정, 양 다크 트리온에서 음 다크 트리온으로 연속 튜닝을 확인할 수 있었다. 또한 다크 트리온의 두드러진 스핀 구성을 확인할 수 있었다”고 말했다.

루이는 트리온을 이용해 정보를 전송할 수 있다면 정보 기술이 크게 풍부해질 것이라고 덧붙였다. 연구팀은 프로토타입 트리온 장치로 다크 트리온 정보 전송을 실연할 계획이다.

연구는 UCR 스타트업 기금 지원으로 수행됐다. 논문(Gate Tunable Dark Trions in MonolayerWSe2)에는 UCR 예레미야 반 바렌(Jeremiah van Baren), 마샤엘 아탈리(Mashael M. Altaiary), 플로리다주 국립고자기장 연구소 정강 루(Zhengguang Lu)와 드미트리 스미르노프( Dmitry Smirnov), 일본 국립재료과학연구소 다니구치 다카시와 와타나베 겐지 등이 참여했다.