Een apparaat gemaakt van dubbellaags grafeen, een atomair dunne hexagonale rangschikking van koolstofatomen, levert experimenteel bewijs van het vermogen om het momentum van elektronen te beheersen en biedt een pad naar elektronica die minder energie nodig heeft en minder warmte afgeeft dan standaard op silicium gebaseerde transistors. Het is een stap voorwaarts in een nieuw natuurkundig gebied dat valleytronics wordt genoemd.

"De huidige op silicium gebaseerde transistorapparaten vertrouwen op de lading van elektronen om het apparaat aan of uit te zetten, maar veel laboratoria kijken naar nieuwe manieren om elektronen te manipuleren op basis van andere variabelen, vrijheidsgraden genoemd, " zei Jun Zhu, universitair hoofddocent natuurkunde, Penn staat, die het onderzoek leidde. "Lading is één vrijheidsgraad. Elektronenspin is een andere, en de mogelijkheid om transistors te bouwen op basis van spin, genaamd spintronica, bevindt zich nog in de ontwikkelingsfase. Een derde elektronische vrijheidsgraad is de daltoestand van elektronen, die is gebaseerd op hun energie in relatie tot hun momentum."

Denk aan elektronen als auto's en de dalstaten als blauwe en rode kleuren, Zhu stelde voor, gewoon als een manier om ze te onderscheiden. In een vel dubbellaags grafeen, elektronen zullen normaal gesproken zowel rode als blauwe valleien innemen en in alle richtingen reizen. Het apparaat haar Ph.D. student, Jing Li, heeft gewerkt om de rode auto's in de ene richting te laten rijden en de blauwe auto's in de tegenovergestelde richting.

"Het systeem dat Jing creëerde, plaatst een paar poorten boven en onder een dubbellaagse grafeenplaat. Dan voegt hij een elektrisch veld toe loodrecht op het vlak, ' zei Zhu.

"Door aan de ene kant een positieve spanning aan te leggen en aan de andere kant een negatieve spanning, een bandgap opent in dubbellaags grafeen, die het normaal niet heeft, Li legde uit. "In het midden, tussen de twee partijen, we laten een fysieke opening van ongeveer 70 nanometer achter."

Binnen deze kloof leven eendimensionale metalen toestanden, of draden, dat zijn kleurgecodeerde snelwegen voor elektronen. De rode auto's rijden in de ene richting en de blauwe auto's rijden in de tegenovergestelde richting. In theorie, gekleurde elektronen konden ongehinderd over een lange afstand met zeer weinig weerstand langs de draden reizen. Een kleinere weerstand betekent dat het stroomverbruik in elektronische apparaten lager is en dat er minder warmte wordt gegenereerd. Zowel stroomverbruik als thermisch beheer zijn uitdagingen in de huidige geminiaturiseerde apparaten.

"Onze experimenten laten zien dat de metalen draden kunnen worden gemaakt, "Zei Li. "Hoewel we nog ver verwijderd zijn van sollicitaties."

Zhu heeft toegevoegd, "Het is vrij opmerkelijk dat dergelijke toestanden kunnen worden gecreëerd in het binnenste van een isolerende dubbellaagse grafeenplaat, met slechts een paar poorten. Ze zijn nog niet resistentievrij, en we doen meer experimenten om te begrijpen waar weerstand vandaan kan komen. We proberen ook kleppen te bouwen die de elektronenstroom regelen op basis van de kleur van de elektronen. Dat is een nieuw elektronicaconcept, valleytronics genaamd."

Li werkte nauw samen met de technische staf van de nanofabricagefaciliteit van Penn State om van het theoretische raamwerk een werkend apparaat te maken.

"De uitlijning van de bovenste en onderste poorten was cruciaal en geen triviale uitdaging, " zei Chad Eichfeld, nanolithografie ingenieur. "De ultramoderne elektronenstraallithografiemogelijkheden in het Penn State Nanofabrication Laboratory stelden Jing in staat om dit nieuwe apparaat met nanoschaalfuncties te maken."