物理學家的新發現，或將徹底改變信息傳輸技術！物理學家已經在一種半導體——超薄單層二烯化鎢(WSe2)中觀察、表征和控制了暗三極體，這是一項可以提高容量和改變信息傳輸形式的成就。在半導體中，如WSe2，一個三極體（trion）是三個帶電粒子的量子束縛態。一個負的三極體包含兩個電子和一個空穴，一個正的三極體包含兩個空穴和一個電子。空穴是半導體中電子的空位，其行為類似於帶正電荷的粒子。
因為一個三極體包含三個相互作用的粒子，它可以攜帶比一個電子多得多的信息。今天大多數電子產品都使用單獨的電子來導電和傳輸信息。由於鐵離子攜帶凈電荷，它們的運動可以由電場控制。因此，三極體也可以用作信息載體。與單個電子相比，鐵離子具有可控的自旋和動量指標，具有豐富的內部結構，可以用來編碼信息。
不同自旋構型的鐵離子可分為亮鐵離子和暗鐵離子。一個亮三極體包含一個電子和一個自旋相反空穴。一個暗三極體包含一個電子和一個自旋相同的空穴。明亮的鐵離子與光強耦合，並有效地發光，這意味著它們衰變得很快。然而暗鐵離子與光的結合很弱，這意味著它們的衰變速度比亮鐵離子慢得多。
研究人員測量了暗鐵離子的壽命，發現壽命比常見的亮鐵離子長100多倍。長壽命使得通過三極體在更長的距離上進行信息傳輸成為可能。領導這項研究的加州大學河濱分校物理學和天文學助理教授呂春洪(Joshua Lui)說：研究可利用光來書寫和閱讀三極體信息，可以產生兩種類型的三極體（暗三極體和亮三極體）並控制它們如何編碼信息，研究結果發表在《物理評論快報》上。
該研究論文的第一作者、Lui實驗室的博士後研究員劉二福(Erfu Liu)說：研究結果可以提供新的信息傳輸方式，暗三極體壽命長，可以幫助實現三極體的信息傳輸。就像在家裡增加Wi-Fi帶寬一樣，三極體傳輸比單個電子傳輸更多的信息。研究人員使用了類似石墨烯薄片的單層WSe2原子，因為WSe2中暗三極體能級低於亮三極體能級。
因此，暗三極體可以積累大量的種群，從而使它們能夠被發現。目前大多數三極體研究都集中在亮三極體上，因為它們能發出很多光，而且很容易測量。但新研究關注的是在單層WSe2器件中，不同電荷密度下的暗離子及其詳細行為。研究能夠通過簡單地調整外部電壓來演示：從正的暗三極體到負的三極體的連續調諧，也能夠確認暗鐵離子和亮鐵離子的自旋結構。
如果能夠利用暗三極體來傳輸信息，信息技術將會大大豐富。在這一發展過程中，主要的障礙是亮三極體壽命很短。現在，長期存在的暗三極體可以幫助我們克服這個障礙。接下來，研究團隊計劃演示暗三極體對信息的實際傳輸。計劃展示第一個使用暗三極體傳輸信息的裝置，如果這樣一個原型暗三極體設備能夠工作，那麼暗三極體還可以用來傳輸量子信息。
博科園｜研究/來自：加州大學河濱分校
參考期刊《物理評論快報》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.027401
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