In veel tweedimensionale (2-D) materialen, elektronen hebben niet alleen lading en spin, maar vertonen verder een ongewone kwantumfunctie. Elektronen die zich in veel 2D-materialen bevinden, kunnen in goed gescheiden energieminima leven, en het 'adres' dat beschrijft tot welke minima deze elektronen behoren, staat bekend als de 'vallei'. Het gebruik van dit "valley-adres" om informatie te coderen en te verwerken, vormt de kern van een nieuw levendig onderzoeksveld dat bekend staat als "valleytronics".

Ondanks veel anticipatie op valleytronics als kandidaat voor 'beyond CMOS'-technologie en om de erfenis van de wet van Moore voort te zetten, de voortgang ervan wordt ernstig belemmerd door het gebrek aan praktische ontwerpen voor een op valleytronic gebaseerde informatieverwerkingseenheid. Een grote uitdaging in valleytronics is de constructie van een "valleifilter" dat elektrische stroom kan produceren die voornamelijk bestaat uit elektronen uit slechts één specifieke vallei. Het dient als een fundamentele bouwsteen in valleytronics.

Door gebruik te maken van de ongebruikelijke elektrische eigenschappen van 2D-materialen zoals zwarte fosfor met weinig lagen en topologische Weyl/Dirac-semimetaal dunne films, onderzoekers van de Singapore University of Technology and Design (SUTD) ontwierpen een veelzijdige, volledig elektrisch gestuurde valleifilter en demonstreerde een concreet werkend ontwerp van een valleytronic logische poort die in staat is om de volledige set Booleaanse logica's met twee ingangen uit te voeren.

"Een bijzonder opmerkelijke bevinding is een voorheen onontgonnen benadering om logisch-omkeerbare berekeningen te bereiken door informatie op te slaan in de daltoestand van het elektron, " zei eerste auteur Dr. Yee Sin Ang van SUTD.

Conventionele digitale computers verwerken informatie op een logisch onomkeerbare manier. Dit leidt tot een serieus logisch probleem:bij het ontvangen van een rekenuitvoer, een eindgebruiker kan niet ondubbelzinnig de originele invoerinformatie identificeren die deze uitvoer produceert.

Het logisch omkeerbaar maken van digitaal computergebruik is niet alleen interessant in termen van fundamentele informatiewetenschap, maar heeft ook brede toepassingen op gebieden zoals cryptografie, signaal- en beeldverwerking, kwantumcomputers, en is uiteindelijk nodig om de energie-efficiëntie van digitale computers te verbeteren tot voorbij het thermodynamische knelpunt, ook wel bekend als de limiet van Landauer. Vanwege het enorme potentieel, Sinds de jaren zeventig is er enorm veel onderzoek gedaan naar de zoektocht naar een praktische omkeerbare computer.

De traditionele manier om een ​​logisch omkeerbare computer te maken, is sterk afhankelijk van complexe circuits die onvermijdelijk grote hoeveelheden verspillende bits genereren. Deze complexe en verspillende methoden hebben verhinderd dat omkeerbaar computergebruik wijdverbreide industriële en commerciële belangen verwierf.

De belangrijkste nieuwigheid van de op valleytronic gebaseerde omkeerbare logische poort, voorgesteld door SUTD-onderzoekers, is dat het apparaat extra bits invoerinformatie opslaat in de vallei-status van de computationele uitvoer om logische omkeerbaarheid te bereiken. Deze Valleytronic-benadering omzeilt de noodzaak van complexe circuits en vermindert het genereren van verspillende bits aanzienlijk. Een dergelijke eenvoudige architectuur is ook beter compatibel met de steeds groeiende industriële en commerciële vraag naar compacte slimme apparaten met steeds kleinere fysieke afmetingen.

Co-auteur en hoofdonderzoeker van dit onderzoek, SUTD-prof Ricky Ang, zei:"De unie van valleytronics, digitale informatieverwerking en omkeerbaar computergebruik kunnen een nieuw paradigma bieden voor de toekomst van een uiterst energiezuinige computer met nieuwe functionaliteiten."