Wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy hebben een grote stap gezet in de richting van de praktische toepassing van "valleytronics, " wat een nieuw type elektronica is dat zou kunnen leiden tot snellere en efficiëntere computerlogicasystemen en gegevensopslagchips in apparaten van de volgende generatie.

Zoals online gemeld op 4 april in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie , de wetenschappers experimenteel aangetoond, Voor de eerste keer, het vermogen om dalelektronen elektrisch te genereren en te regelen in een tweedimensionale halfgeleider.

Vallei-elektronen worden zo genoemd omdat ze een "vrijheidsgraad" in de vallei dragen. Dit is een nieuwe manier om elektronen te gebruiken voor informatieverwerking, naast het gebruik van de andere vrijheidsgraden van een elektron, die kwantumspin zijn in spintronische apparaten en opladen in conventionele elektronica.

Specifieker, elektronische valleien verwijzen naar de energiepieken en -dalen in elektronische banden. Een tweedimensionale halfgeleider genaamd overgangsmetaal dichalcogenide (TMDC) heeft twee te onderscheiden valleien van tegengestelde spin en momentum. Daarom, het materiaal is geschikt voor valleytronic-apparaten, waarin informatieverwerking en -opslag zou kunnen worden uitgevoerd door selectief de ene of de andere vallei te bevolken.

Echter, het ontwikkelen van valleytronic-apparaten vereist de elektrische controle over de populatie van vallei-elektronen, een stap die tot nu toe zeer uitdagend is gebleken om te bereiken.

Nutsvoorzieningen, Wetenschappers van Berkeley Lab hebben experimenteel het vermogen aangetoond om vallei-elektronen in TMDC's elektrisch te genereren en te controleren. Dit is een bijzonder belangrijke vooruitgang omdat TMDC's worden beschouwd als meer "apparaatklaar" dan andere halfgeleiders die valleytronic-eigenschappen vertonen.

"Dit is de eerste demonstratie van elektrische excitatie en controle van vallei-elektronen, die de volgende generatie elektronica en informatietechnologie zal versnellen, " zegt Xiang Zhang, die deze studie leidde en die de directeur is van de Materials Sciences Division van Berkeley Lab.

Zhang bekleedt ook de Ernest S. Kuh Endowed Chair aan de University of California (UC) Berkeley en is lid van het Kavli Energy NanoSciences Institute in Berkeley. Verschillende andere wetenschappers hebben bijgedragen aan dit werk, inclusief Yu Ye, juni Xiao, Hailong Wang, Ziliang Ye, Hanyu Zhu, Mervin Zhao, Yuan Wang, Jianhua Zhao en Xiaobo Yin.

Hun onderzoek zou kunnen leiden tot een nieuw type elektronica dat gebruik maakt van alle drie de vrijheidsgraden:lading, draaien, en vallei, die samen een elektron kunnen coderen met acht bits informatie in plaats van twee in de hedendaagse elektronica. Dit betekent dat toekomstige computerchips meer informatie kunnen verwerken met minder stroom, waardoor snellere en energiezuinigere computertechnologieën mogelijk zijn.

"Valleytronic-apparaten hebben het potentieel om snelle datacommunicatie en apparaten met een laag vermogen te transformeren, " zegt Ja, een postdoctoraal onderzoeker in de groep van Zhang en de hoofdauteur van het artikel.

De wetenschappers demonstreerden hun aanpak door een ferromagnetische gastheerhalfgeleider te koppelen aan een monolaag van TMDC. Elektrische spin-injectie van de ferromagnetische halfgeleider lokaliseerde de ladingsdragers naar één momentumvallei in de TMDC-monolaag.

belangrijk, de wetenschappers waren in staat om de ladingsdragers elektrisch te prikkelen en op te sluiten in slechts een van de twee reeksen valleien. Dit werd bereikt door de spinpolarisaties van de geïnjecteerde drager te manipuleren, waarin de spin en de vallei aan elkaar zijn opgesloten in de TMDC-monolaag.

De twee reeksen valleien zenden verschillend circulair gepolariseerd licht uit. De wetenschappers observeerden dit circulair gepolariseerde licht, wat bevestigde dat ze met succes elektrisch geïnduceerde en gecontroleerde vallei-elektronen in TMDC hadden.

"Ons onderzoek loste twee belangrijke uitdagingen in valleytronic-apparaten op:de eerste is het elektrisch beperken van elektronen tot één momentumvallei. De tweede is het detecteren van de resulterende vallei-gepolariseerde stroom door circulair gepolariseerde elektroluminescentie, " zegt Ye. "Onze directe elektrische opwekking en controle van dalladingsdragers, in TMDC, opent nieuwe dimensies in het gebruik van zowel de spin- als de vallei-vrijheidsgraden voor elektronica en computers van de volgende generatie."