Nye færdselsregler i Graphene City

I stræben efter at finde nye måder at udvide elektronik ud over brugen af ​​silicium, fysikere eksperimenterer med andre egenskaber ved elektroner, uden beregning. I arbejde offentliggjort i dag (7. december) i tidsskriftet Videnskab , et hold ledet af Penn State professor i fysik Jun Zhu beskriver en måde at manipulere elektroner på baseret på deres energi i forhold til momentum - kaldet "dalens frihedsgrad."

"Forestil dig, at du er i en verden, hvor elektroner er farvede - røde eller blå, " sagde Zhu, "og de veje, som elektroner færdes på, er også farvet røde eller blå. Elektroner må kun færdes på veje af samme farve, så en blå elektron skulle blive til en rød elektron for at rejse på den røde vej."

To år siden, Zhus team viste, at de kunne bygge farvekodede, to-vejs veje i et materiale kaldet dobbeltlagsgrafen. På grund af deres farvekodning, disse veje er topologiske. I den aktuelle undersøgelse, forskerne lavede et fire-vejs kryds, hvor farvekodningen af ​​vejene skiftes på den anden side. Derfor, du har en situation, hvor en blå bil, der kører i nordgående retning, kommer til dette kryds og opdager, at nordgående veje på den anden side af krydset er farvet røde. Hvis elektronen ikke kan ændre farve, det er forbudt at rejse videre.

Disse veje er faktisk elektronbølgeledere skabt af porte defineret med ekstrem præcision ved hjælp af state-of-the-art elektronstrålelitografi. Farverne er faktisk bilernes dalindeks, og farvekodningen af ​​vejene styres af topologien af ​​bølgelederne, analogt med reglerne for venstrekørsel og højrekørsel i forskellige lande. At ændre farven på bilerne kræver "spredning mellem dalene, " som er minimeret i eksperimentet for at sætte trafikstyringen i stand til at fungere.

"Det, vi har opnået her, er en topologisk dalventil, som bruger en ny mekanisme til at kontrollere elektronstrømmen, " sagde Zhu. "Dette er en del af et spirende felt af elektronik kaldet valleytronics. I vores eksperiment, at kontrollere topologien - elektronernes dalmomentum-låsning - er det, der fik det til at fungere."

I undersøgelsen, forskerne spurgte, hvor ville den metaforiske blå bil gå, hvis den ikke kunne køre videre?

"Den bliver nødt til at dreje enten til venstre eller højre, " sagde hovedforfatter Jing Li, Zhus tidligere doktorand, nu direktørs postdoc ved Los Alamos National Lab.

"Vi har yderligere måder at kontrollere svingtrafikken på - ved at flytte vognbanen trinvist tættere på et højre- eller venstresving, procentdelen af ​​elektroner/biler, der drejer til højre eller venstre, kan jævnt indstilles til at være 60 procent én vej, 40 procent den anden, eller enhver anden kombination af procenter."

Denne kontrollerede partition kaldes en "stråledeler, " hvilket er almindeligt for lys, men ikke let opnås med elektroner. Zhu og Li sagde, at de er begejstrede for denne kontrol, de har opnået for deres farvekodede veje, da det muliggør mere avancerede eksperimenter hen ad vejen.

"Oprettelsen af ​​enheden kræver mange trin og ret kompliceret e-beam litografi, " sagde Li. "Heldigvis, Penn State's avancerede nanofabrikation samt et team af professionelle supportmedarbejdere satte os i stand til at gøre alt dette."

Den næste udfordring for Zhus team bliver at forsøge at bygge deres enheder til at fungere ved stuetemperatur i stedet for ved de meget kolde temperaturer, de har brug for i øjeblikket. Det kan lade sig gøre, Zhu mener, men udfordrende.

"Den tilgang, vi tog for at lave denne enhed, er skalerbar, " sagde Zhu. "Hvis dobbeltlagsgrafen med stort område og sekskantet bornitrid bliver tilgængelige, vi kan potentielt lave en by af topologiske veje og sende elektroner til steder, de skal hen, alt uden modstand. Det ville være meget fedt."