Forskere skubber valleytronics et skridt tættere på virkeligheden

Forskere ved det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har taget et stort skridt hen imod den praktiske anvendelse af "valleytronics, " som er en ny type elektronik, der kan føre til hurtigere og mere effektive computerlogiksystemer og datalagringschips i næste generations enheder.

Som rapporteret online 4. april i tidsskriftet Natur nanoteknologi , Forskerne demonstrerede eksperimentelt, for første gang, evnen til elektrisk at generere og kontrollere dalelektroner i en todimensionel halvleder.

Dalelektroner hedder sådan, fordi de bærer en dal "frihedsgrad". Dette er en ny måde at udnytte elektroner til informationsbehandling, der er ud over at udnytte en elektrons andre frihedsgrader, som er kvantespin i spintroniske enheder og ladning i konventionel elektronik.

Mere specifikt, elektroniske dale refererer til energitoppe og dale i elektroniske bånd. En todimensionel halvleder kaldet transition metal dichalcogenide (TMDC) har to skelnelige dale med modsat spin og momentum. På grund af dette, materialet er velegnet til valleytronic enheder, hvor informationsbehandling og -lagring kunne udføres ved selektivt at befolke en eller anden dal.

Imidlertid, udvikling af valleytronic-enheder kræver elektrisk kontrol over populationen af ​​dalelektroner, et skridt, som har vist sig at være meget udfordrende at opnå indtil videre.

Nu, Berkeley Lab-forskere har eksperimentelt demonstreret evnen til elektrisk at generere og kontrollere dalelektroner i TMDC'er. Dette er et særligt vigtigt fremskridt, fordi TMDC'er anses for at være mere "device ready" end andre halvledere, der udviser valleytroniske egenskaber.

"Dette er den første demonstration af elektrisk excitation og kontrol af dalelektroner, som vil fremskynde den næste generation af elektronik og informationsteknologi, " siger Xiang Zhang, hvem ledede denne undersøgelse, og hvem er direktør for Berkeley Labs Materials Sciences Division.

Zhang har også Ernest S. Kuh Endowed Chair ved University of California (UC) Berkeley og er medlem af Kavli Energy NanoSciences Institute i Berkeley. Flere andre videnskabsmænd bidrog til dette arbejde, inklusive Yu Ye, juni Xiao, Hailong Wang, Ziliang Ye, Hanyu Zhu, Mervin Zhao, Yuan Wang, Jianhua Zhao og Xiaobo Yin.

Deres forskning kan føre til en ny type elektronik, der udnytter alle tre frihedsgrader – ladning, spin, og dalen, som tilsammen kunne kode en elektron med otte informationsbit i stedet for to i nutidens elektronik. Dette betyder, at fremtidige computerchips kan behandle mere information med mindre strøm, muliggør hurtigere og mere energieffektive computerteknologier.

"Valleytronic-enheder har potentialet til at transformere højhastighedsdatakommunikation og enheder med lav effekt, " siger du, en postdoc-forsker i Zhangs gruppe og hovedforfatteren af ​​papiret.

Forskerne demonstrerede deres tilgang ved at koble en ferromagnetisk værtshalvleder med et monolag af TMDC. Elektrisk spin-injektion fra den ferromagnetiske halvleder lokaliserede ladningsbærerne til en momentumdal i TMDC-monolaget.

Vigtigt, forskerne var i stand til at excitere elektrisk og begrænse ladningsbærerne i kun et af to sæt dale. Dette blev opnået ved at manipulere den injicerede bærers spin-polarisationer, hvor spin og dalen er låst sammen i TMDC monolaget.

De to sæt dale udsender forskelligt cirkulært polariseret lys. Forskerne observerede dette cirkulært polariserede lys, hvilket bekræftede, at de med succes havde elektrisk induceret og kontrolleret dalelektroner i TMDC.

"Vores forskning løste to hovedudfordringer inden for valleytronic-enheder. Den første er elektrisk begrænsning af elektroner til en momentumdal. Den anden er detektering af den resulterende dalpolariserede strøm ved cirkulær polariseret elektroluminescens, " siger Ye. "Vores direkte elektriske generering og kontrol af dalladningsbærere, i TMDC, åbner op for nye dimensioner i at udnytte både spin- og dalens frihedsgrader til næste generations elektronik og databehandling."