Valleytronics opdagelse kan udvide grænserne for Moores lov

Forskning, der vises i dag i Naturkommunikation finder nyttigt nyt informationshåndteringspotentiale i prøver af tin(II)sulfid (SnS), et kandidat "valleytronics" transistormateriale, der måske en dag vil gøre det muligt for chipproducenter at pakke mere computerkraft på mikrochips.

Forskningen blev ledet af Jie Yao fra Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og Shuren Lin fra UC Berkeley's Department of Materials Science and Engineering og omfattede forskere fra Singapore og Kina. Berkeley Labs Molecular Foundry, en DOE Office of Science brugerfacilitet, bidraget til arbejdet.

I flere årtier, forbedringer i konventionelle transistormaterialer har været tilstrækkelige til at opretholde Moores lov - det historiske mønster af mikrochipproducenter, der pakker flere transistorer (og dermed mere informationslagring og håndteringskapacitet) ind i en given mængde silicium. I dag, imidlertid, chipproducenter er bekymrede for, at de snart kan nå de grundlæggende grænser for konventionelle materialer. Hvis de ikke kan fortsætte med at pakke flere transistorer ind i mindre rum, de bekymrer sig om, at Moores lov ville bryde sammen, forhindre fremtidige kredsløb i at blive mindre og mere kraftfulde end deres forgængere.

Det er derfor, forskere verden over er på jagt efter nye materialer, der kan beregne i mindre rum, primært ved at udnytte de ekstra frihedsgrader, som materialerne giver – med andre ord, ved at bruge et materiales unikke egenskaber til at beregne flere 0'ere og 1'ere i samme rum. Spintronics, for eksempel, er et koncept for transistorer, der udnytter elektronernes op- og nedadspin i materialer, som tænd/sluk-transistoren angiver.

Valleytronics, en anden ny tilgang, udnytter den meget selektive respons fra kandidat-krystallinske materialer under specifikke belysningsforhold til at angive deres tænd/sluk-tilstande - dvs. ved at bruge materialernes båndstrukturer, så informationen om 0'er og 1'er er lagret i separate energidale af elektroner, som er afhængige af materialernes krystalstrukturer.

I denne nye undersøgelse, forskerholdet har vist, at tin(II)sulfid (SnS) er i stand til at absorbere forskellige polariseringer af lys og derefter selektivt genudsende lys af forskellige farver ved forskellige polariseringer. Dette er nyttigt for samtidig adgang til både de sædvanlige elektroniske - og materialets valleytroniske - frihedsgrader, hvilket ville øge computerkraften og datalagringstætheden væsentligt for kredsløb lavet med materialet.

"Vi viser et nyt materiale med karakteristiske energidale, der kan identificeres direkte og styres separat, " sagde Yao. "Dette er vigtigt, fordi det giver os en platform til at forstå, hvordan dalens signaturer bæres af elektroner, og hvordan information nemt kan lagres og behandles mellem dalene, som er af både videnskabelig og ingeniørmæssig betydning."

Lin, avisens første forfatter, sagde, at materialet er forskelligt fra tidligere undersøgte kandidatmaterialer til valleytronics, fordi det besidder en sådan selektivitet ved stuetemperatur uden yderligere skævheder bortset fra excitationslyskilden, hvilket letter de tidligere strenge krav til styring af dalene. Sammenlignet med forgængerens materialer, SnS er også meget nemmere at behandle.

Med dette fund, forskere vil være i stand til at udvikle operationelle valleytronic-enheder, som måske en dag bliver integreret i elektroniske kredsløb. Den unikke kobling mellem lys og dale i dette nye materiale kan også bane vejen mod fremtidige hybride elektroniske/fotoniske chips.

Berkeley Labs "Beyond Moore's Law"-initiativ udnytter de grundlæggende videnskabelige muligheder og unikke brugerfaciliteter i Berkeley Lab og UC Berkeley til at evaluere lovende kandidater til næste generations elektronik- og computerteknologier. Dets mål er at opbygge tætte partnerskaber med industrien for at fremskynde den tid, det typisk tager at bevæge sig fra opdagelsen af ​​en teknologi til dens opskalering og kommercialisering.