Onderzoek dat vandaag verschijnt in Natuurcommunicatie vindt nuttig nieuw informatieverwerkingspotentieel in monsters van tin (II) sulfide (SnS), een kandidaat 'valleytronics'-transistormateriaal dat chipmakers op een dag in staat zou kunnen stellen meer rekenkracht op microchips te verpakken.

Het onderzoek werd geleid door Jie Yao van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab) en Shuren Lin van het Department of Materials Science and Engineering van UC Berkeley en omvatte wetenschappers uit Singapore en China. Moleculaire gieterij van Berkeley Lab, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, bijgedragen aan het werk.

Sinds enkele decennia is verbeteringen in conventionele transistormaterialen waren voldoende om de wet van Moore te ondersteunen - het historische patroon van microchipfabrikanten die meer transistors (en dus meer informatieopslag- en verwerkingscapaciteit) in een bepaald volume silicium stoppen. Vandaag, echter, chipmakers vrezen dat ze binnenkort de fundamentele limieten van conventionele materialen zullen bereiken. Als ze niet door kunnen gaan met het verpakken van meer transistors in kleinere ruimtes, ze maken zich zorgen dat de wet van Moore zou instorten, voorkomen dat toekomstige circuits kleiner en krachtiger worden dan hun voorgangers.

Daarom zijn onderzoekers wereldwijd op zoek naar nieuwe materialen die kunnen rekenen in kleinere ruimtes, voornamelijk door gebruik te maken van de extra vrijheidsgraden die de materialen bieden - met andere woorden, de unieke eigenschappen van een materiaal gebruiken om meer nullen en enen in dezelfde ruimte te berekenen. Spintronica, bijvoorbeeld, is een concept voor transistors dat de op- en neerwaartse spins van elektronen in materialen gebruikt als de aan/uit-transistortoestanden.

Valleytronics, een andere opkomende benadering, maakt gebruik van de zeer selectieve respons van kandidaat-kristallijne materialen onder specifieke verlichtingsomstandigheden om hun aan / uit-toestanden aan te duiden - dat wil zeggen, met behulp van de bandstructuren van de materialen, zodat de informatie van nullen en enen wordt opgeslagen in afzonderlijke energievalleien van elektronen, die afhankelijk zijn van de kristalstructuren van de materialen.

In deze nieuwe studie het onderzoeksteam heeft aangetoond dat tin (II) sulfide (SnS) verschillende polarisaties van licht kan absorberen en vervolgens selectief licht van verschillende kleuren bij verschillende polarisaties kan uitstralen. Dit is handig om gelijktijdig toegang te krijgen tot zowel de gebruikelijke elektronische - als de valleytronic-vrijheidsgraden van het materiaal, wat de rekenkracht en gegevensopslagdichtheid van circuits die met het materiaal zijn gemaakt aanzienlijk zou vergroten.

"We tonen een nieuw materiaal met onderscheidende energievalleien die direct kunnen worden geïdentificeerd en afzonderlijk kunnen worden gecontroleerd, "zei Yao. "Dit is belangrijk omdat het ons een platform biedt om te begrijpen hoe valleisignaturen worden gedragen door elektronen en hoe informatie gemakkelijk kan worden opgeslagen en verwerkt tussen de valleien, die van zowel wetenschappelijke als technische betekenis zijn."

Lin, de eerste auteur van het artikel, zei dat het materiaal verschilt van eerder onderzochte kandidaat-valleitronica-materialen omdat het zo'n selectiviteit bezit bij kamertemperatuur zonder extra vooroordelen, afgezien van de excitatielichtbron, waardoor de voorheen strenge eisen bij het beheersen van de valleien worden verlicht. Vergeleken met zijn voorganger materialen, SnS is ook veel gemakkelijker te verwerken.

Met deze bevinding, onderzoekers zullen operationele valleytronic-apparaten kunnen ontwikkelen, die ooit in elektronische schakelingen kunnen worden geïntegreerd. De unieke koppeling tussen licht en valleien in dit nieuwe materiaal kan ook de weg vrijmaken voor toekomstige hybride elektronische/fotonische chips.

Het "Beyond Moore's Law"-initiatief van Berkeley Lab maakt gebruik van de wetenschappelijke basiscapaciteiten en unieke gebruikersfaciliteiten van Berkeley Lab en UC Berkeley om veelbelovende kandidaten voor de volgende generatie elektronica en computertechnologieën te evalueren. Het doel is om nauwe samenwerkingsverbanden met de industrie op te bouwen om de tijd te versnellen die normaal gesproken nodig is om van de ontdekking van een technologie naar de opschaling en commercialisering ervan te gaan.