과학자들은 마침내 전자공학의 "암흑 물질"을 발견했습니다.

연구에 사용된 TR-ARPES 설정. 출처: Jeff Prine(OIST)

오키나와 과학기술연구소(OIST) 펨토초 분광학 연구팀이 세계 최초로 원자 두께의 얇은 물질에서 포착하기 어려운 암흑 엑시톤의 진화를 직접 관찰하여 고전 및 양자 정보 기술 분야의 새로운 돌파구를 마련했습니다. 이 연구 결과는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 에 게재되었습니다 . 연구팀장인 케샤브 다니 교수는 이 연구의 중요성을 다음과 같이 강조했습니다. "암흑 엑시톤은 본질적으로 빛과 상호 작용할 가능성이 낮아 양자 특성 저하가 적기 때문에 정보 운반체로서 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 그러나 이러한 비가시성 때문에 연구 및 조작이 매우 어렵습니다. 2020년 OIST에서 이룬 이전 성과를 바탕으로, 저희는 암흑 엑시톤의 생성, 관찰 및 조작을 위한 길을 열었습니다."

"일반 전자공학 분야에서는 전자 전하를 조작하여 정보를 처리합니다."라고 이 연구단의 공동 제1저자이자 박사과정생인 싱 주(Xing Zhu)는 설명합니다. "스핀트로닉스 분야에서는 전자의 스핀을 이용하여 정보를 전달합니다. 더 나아가 밸리트로닉스에서는 독특한 물질의 결정 구조를 이용하여 정보를 밸리라고 알려진 전자의 고유한 운동량 상태로 인코딩할 수 있습니다." 다크 엑시톤의 밸리 차원을 이용하여 정보를 전달할 수 있는 능력은 양자 기술의 유망한 후보로 자리매김했습니다. 다크 엑시톤은 본질적으로 현재 세대의 큐비트보다 열 배경과 같은 환경 요인에 더 강하여, 극한의 냉각이 덜 필요하고, 고유한 양자 상태가 파괴되는 결맞음(decoherence) 현상이 덜 발생합니다.

밝고 어두운 엑시톤을 이용한 에너지 풍경 정의

지난 10년 동안 TMD(전이 금속 디칼코게나이드)라고 불리는 원자적으로 얇은 반도체 재료의 개발에 진전이 있었습니다. 모든 반도체와 마찬가지로 TMD의 원자는 결정 격자 내에 정렬되어 있으며, 이는 전자를 원자가띠와 같은 특정 에너지 준위(또는 에너지대)로 가두어 둡니다. 빛에 노출되면 음전하를 띤 전자는 더 높은 에너지 상태인 전도띠로 여기되고, 원자가띠에는 양전하를 띤 정공을 남깁니다. 전자와 정공은 정전기적 인력에 의해 결합되어 엑시톤(exciton)이라고 하는 수소 유사 준입자를 형성합니다. 전자와 정공의 특정 양자 특성이 일치하면, 즉 스핀 배열이 같고 운동량 공간(원자 결정 구조에서 전자와 정공이 차지할 수 있는 에너지 최소값)에서 같은 '밸리'에 위치하면, 두 물질은 피코초(1ps = 10−12초) 내에 재결합하여 빛 을 방출합니다. 이것들은 '밝은' 엑시톤입니다.

그러나 전자와 정공의 양자 특성이 일치하지 않으면 전자와 정공은 스스로 재결합할 수 없게 되어 빛을 방출하지 못합니다. 이러한 엑시톤은 '어두운' 엑시톤으로 특징지어집니다. 현재 유니버시티 칼리지 런던에 재직 중인 공동 제1저자 데이비드 베이컨 박사는 "어두운 엑시톤에는 두 가지 '종'이 있습니다. 전자와 정공의 특성이 충돌하는 위치에 따라 운동량-어두운 엑시톤과 스핀-어두운 엑시톤이 있습니다. 특성의 불일치는 즉각적인 재결합을 방해하여 최대 수 나노초(1ns = 10−9초 - 훨씬 더 유용한 시간 단위)까지 존재할 수 있게 할 뿐만 아니라, 어두운 엑시톤을 환경 상호작용으로부터 더욱 고립시킵니다."라고 설명합니다.

"TMD의 독특한 원자 대칭성은 원형 편광의 빛 상태에 노출되었을 때 특정 밸리(valley)에만 밝은 엑시톤을 선택적으로 생성할 수 있음을 의미합니다. 이것이 밸리트로닉스의 기본 원리입니다. 그러나 밝은 엑시톤은 빠르게 수많은 어두운 엑시톤으로 변하여 밸리 정보를 잠재적으로 보존할 수 있습니다. 어떤 종류의 어두운 엑시톤이 관여하고 어느 정도까지 밸리 정보를 유지할 수 있는지는 불분명하지만, 이는 밸리트로닉스 응용 분야를 추구하는 데 중요한 단계입니다."라고 현재 캘리포니아 공과대학교(California Institute of Technology)의 총장후연구원이며 OIST(Oist University of Technology) 졸업생이자 공동 제1저자인 비벡 파릭 박사는 설명합니다.

펨토초 단위의 전자 관찰

OIST의 세계 최고 수준의 TR-ARPES(시간 및 각도 분해 광전자 분광법) 설비를 사용하여, 독점적인 테이블탑 XUV(극자외선) 광원을 포함하는 이 팀은 TMD 반도체의 특정 밸리에서 밝은 엑시톤이 생성된 후 시간이 지남에 따라 모든 엑시톤의 특성을 추적하는 데 성공했습니다. 이를 위해 전자와 정공의 운동량, 스핀 상태, 밀도 수준을 동시에 정량화했습니다. 이러한 특성은 이전에는 한 번도 동시에 정량화된 적이 없습니다.

그들의 연구 결과는 피코초(picosecond) 내에 일부 밝은 엑시톤이 포논(양자화된 결정 격자 진동)에 의해 서로 다른 운동량 계곡(momentum valley)으로 산란되어 운동량-어둠(momentum-dark)을 형성한다는 것을 보여줍니다. 이후 스핀-어둠 엑시톤이 우세해지면서 전자가 같은 계곡 내에서 스핀을 반전시켜 나노초 단위로 지속됩니다.

이를 통해 연구팀은 다크 엑시톤에 접근하고 추적하는 방법이라는 근본적인 과제를 극복하고, 다크 밸리트로닉스 분야의 기반을 마련했습니다. 해당 연구팀의 줄리앙 마데오 박사는 다음과 같이 요약했습니다. "OIST의 정교한 TR-ARPES 시스템 덕분에 다크 엑시톤이 장수명 밸리 정보를 어떻게, 어떤 방식으로 유지하는지 직접 접근하고 매핑할 수 있었습니다. 다크 엑시톤 밸리 특성을 판독하는 향후 개발은 정보 시스템 전반에 걸쳐 다크 밸리트로닉스의 광범위한 응용 분야를 열어줄 것입니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/10/251003033928.htm