Aan de lijst met mogelijke toepassingen van grafeen - een tweedimensionale halfgeleider van pure koolstof die sterker en veel sneller is dan silicium - kunnen we nu valleytronics, de codering van gegevens in de golfachtige beweging van elektronen terwijl ze door een geleider razen. Onderzoekers van Berkeley Lab hebben topologisch beschermde eendimensionale elektronengeleidende kanalen ontdekt aan de domeinwanden van dubbellaags grafeen. Deze geleidende kanalen zijn "vallei gepolariseerd, " wat betekent dat ze kunnen dienen als filters voor polarisatie van elektronenvalleien in toekomstige apparaten zoals kwantumcomputers.

"De combinatie van nabij-veld infrarood microscopie op nanometerschaal en elektrische transportmetingen bij lage temperatuur, we hebben de eerste experimentele waarnemingen vastgelegd van 1D ballistische elektronengeleidende kanalen op dubbellaagse grafeendomeinwanden, " zegt Feng Wang, een fysicus van de gecondenseerde materie bij de Materials Sciences Division van Berkeley Lab, die dit werk leidde. "Deze 1D-vallei-gepolariseerde geleidende kanalen hadden een ballistische lengte van ongeveer 400 nanometer bij 4 kelvin. Hun bestaan ​​​​opent mogelijkheden voor het verkennen van unieke topologische fasen en valleifysica in grafeen."

Wang, die ook een aanstelling heeft bij de University of California (UC) Berkeley Physics Department, is de corresponderende auteur van een artikel waarin dit onderzoek in het tijdschrift wordt beschreven Natuur . De hoofdauteurs van het artikel zijn Long Ju en Zhiwen Shi, leden van de onderzoeksgroep van Wang.

Valleytronics genereert veel opwinding in de hightech-industrie als een potentiële weg naar quantum computing. Zoals spintronica, Valleytronics biedt een enorm voordeel in dataverwerkingssnelheden ten opzichte van de elektrische lading die in klassieke elektronica wordt gebruikt.

"In de valleitronica, elektronen bewegen door het rooster van een 2D-halfgeleider als een golf met twee energiedalen, elke vallei wordt gekenmerkt door een duidelijk momentum en kwantumvalleinummer, " Zegt Wang. "Dit kwantumvalleinummer kan worden gebruikt om informatie te coderen wanneer de elektronen zich in een minimale energievallei bevinden."

Recent theoretisch werk suggereerde dat domeinwanden tussen AB- en BA-gestapeld dubbellaags grafeen een aantrekkelijke plaats zouden kunnen bieden om eendimensionale elektronengeleidende kanalen voor valleytronics te realiseren, omdat de gladheid van de domeinwanden elektronenvalleien behoudt, in tegenstelling tot de atoomdefecten aan de randen van grafeen die resulteren in vallei-menging. Tot nu, echter, er is geen experimenteel bewijs van deze kanalen geweest.

Werken bij Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, Wang, Ju, Shi en hun collega's gebruikten strak gerichte bundels van infrarood licht om in situ dubbellaagse grafeenlaagstapelende domeinwanden op apparaatsubstraten af ​​te beelden. Veldeffectapparaten die over deze domeinwanden zijn gefabriceerd, onthulden de 1D-geleidende kanalen.

"De infraroodmetingen werden uitgevoerd bij ALS-straallijn 5.4, ", zegt Shi. "De nabije-veld-infraroodmogelijkheden van deze bundellijn maken optische spectroscopie mogelijk met ruimtelijke resoluties die ver boven de diffractielimiet liggen, waardoor we de nanometer-brede domeinwanden in dubbellaags grafeen kunnen afbeelden."

Daten, het meeste onderzoek van valleytronics heeft zich gericht op de 2D-halfgeleiders die bekend staan ​​als MX2-materialen, die bestaan ​​uit een enkele laag overgangsmetaalatomen, zoals molybdeen of wolfraam, ingeklemd tussen twee lagen chalcogeenatomen, zoals zwavel. De resultaten van deze studie tonen aan dat beschermde topologische fasen ook kunnen worden gerealiseerd in dubbellaags grafeen, wat een afstembare halfgeleider is, waardoor de 2D-carbonplaten bruikbaar zijn voor valleytronic-toepassingen.

"Onze volgende stap is om de ballistische lengte van deze 1D-kanalen te vergroten, zodat we ze kunnen gebruiken als elektronenvalfilters, evenals voor andere manipulaties van elektronenvalleien in grafeen, "zegt Wang.