Valleytronics fremskridt kan hjælpe med at udvide Moores lov

I halvlederfysikkens verden, målet er at udtænke mere effektive og mikroskopiske måder at kontrollere og holde styr på 0 og 1, de binære koder, som al informationslagring og logiske funktioner i computere er baseret på.

Et nyt felt inden for fysik, der søger sådanne fremskridt, kaldes valleytronics, som udnytter elektronens "dalfrihedsgrad" til datalagring og logikapplikationer. Kort fortalt, dale er maksima og minima af elektronenergier i et krystallinsk fast stof. En metode til at kontrollere elektroner i forskellige dale kunne give nye, supereffektive computerchips.

Et team fra University at Buffalo, ledet af Hao Zeng, PhD, professor ved Institut for Fysik, arbejdet sammen med forskere rundt om i verden for at opdage en ny måde at opdele energiniveauerne mellem dalene i en todimensionel halvleder.

Arbejdet er beskrevet i en undersøgelse offentliggjort online i dag (1. maj, 2017) i bladet Natur nanoteknologi .

Nøglen til Zengs opdagelse er brugen af ​​en ferromagnetisk forbindelse til at trække dalene fra hinanden og holde dem på forskellige energiniveauer. Dette fører til en stigning i adskillelsen af ​​dalenergier med en faktor 10 mere end den, der opnås ved at påføre et eksternt magnetfelt.

"Normalt er der to dale i disse atomisk tynde halvledere med nøjagtig den samme energi. Disse kaldes 'degenererede energiniveauer' i kvantemekaniske termer. Dette begrænser vores evne til at kontrollere individuelle dale. Et eksternt magnetfelt kan bruges til at bryde denne degeneration. Men spaltningen er så lille, at du bliver nødt til at gå til National High Magnetic Field Laboratories for at måle en betydelig energiforskel. Vores nye tilgang gør dalene mere tilgængelige og nemmere at kontrollere, og dette kunne gøre det muligt for dale at være nyttige til fremtidig informationslagring og -behandling, " sagde Zeng.

Den enkleste måde at forstå, hvordan dale kan bruges til at behandle data, kan være at tænke på to dale side om side. Når en dal er optaget af elektroner, kontakten er "tændt". Når den anden dal er besat, kontakten er "off". Zengs arbejde viser, at dalene kan placeres på en sådan måde, at en enhed kan tændes og slukkes, " med en lille mængde elektricitet.

Mikroskopiske ingredienser

Zeng og hans kolleger skabte en to-lags heterostruktur, med en 10 nanometer tyk film af magnetisk EuS (europiumsulfid) på bunden og et enkelt lag (mindre end 1 nanometer) af overgangsmetallet dichalcogenidet WSe2 (wolframdiselenid) på toppen. Det magnetiske felt i bundlaget fremtvang energiadskillelsen af ​​dalene i WSe2.

Tidligere forsøg på at adskille dalene involverede anvendelse af meget store magnetfelter udefra. Zengs eksperiment menes at være første gang et ferromagnetisk materiale er blevet brugt sammen med et atomisk tyndt halvledermateriale til at opdele dets dalenerginiveauer.

"Så længe vi har det magnetiske materiale der, dalene vil holde sig adskilt, " sagde han. "Dette gør det værdifuldt for ikke-flygtige hukommelsesapplikationer."

Athos Petrou, en UB Distinguished Professor ved Institut for Fysik, målte energiforskellen mellem de adskilte dale ved at kaste lys fra materialet og måle energien af ​​reflekteret lys.

"Vi får typisk denne type resultater kun en gang hvert femte eller tiende år, " sagde Petrou.

Udvidelse af Moores lov

Eksperimentet blev udført ved 7 grader Kelvin (-447 Fahrenheit), så enhver daglig brug af processen ligger langt ude i fremtiden. Imidlertid, at bevise det muligt er et første skridt.

"Grunden til, at folk er virkelig begejstrede for det her, er, at Moores lov [som siger, at antallet af transistorer i et integreret kredsløb fordobles hvert andet år] forventes at slutte snart. Det virker ikke længere, fordi det har ramt sin grundlæggende grænse, " sagde Zeng.

"Nuværende computerchips er afhængige af bevægelsen af ​​elektriske ladninger, og det genererer en enorm mængde varme, efterhånden som computere bliver mere kraftfulde. Vores arbejde har virkelig skubbet valleytronics et skridt nærmere for at komme over den udfordring."