In de wereld van de halfgeleiderfysica het doel is om efficiëntere en microscopische manieren te bedenken om 0 en 1 te controleren en bij te houden de binaire codes waarop alle informatieopslag en logische functies in computers zijn gebaseerd.

Een nieuw gebied van de natuurkunde dat op zoek is naar dergelijke vooruitgang, wordt valleytronics genoemd, die de "valley-vrijheidsgraad" van het elektron exploiteert voor gegevensopslag en logische toepassingen. Simpel gezegd, valleien zijn maxima en minima van elektronenenergieën in een kristallijne vaste stof. Een methode om elektronen in verschillende valleien te controleren zou nieuwe, superefficiënte computerchips.

Een universiteit in Buffalo-team, geleid door Hao Zeng, doctoraat, hoogleraar bij de vakgroep Natuurkunde, werkte samen met wetenschappers over de hele wereld om een ​​nieuwe manier te ontdekken om de energieniveaus tussen de valleien te splitsen in een tweedimensionale halfgeleider.

Het werk wordt beschreven in een studie die vandaag (1 mei) online is gepubliceerd. 2017) in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

De sleutel tot de ontdekking van Zeng is het gebruik van een ferromagnetische verbinding om de valleien uit elkaar te trekken en ze op verschillende energieniveaus te houden. Dit leidt tot een toename van de scheiding van vallei-energieën met een factor 10 meer dan die verkregen door het aanleggen van een extern magnetisch veld.

"Normaal gesproken zijn er twee valleien in deze atomair dunne halfgeleiders met precies dezelfde energie. Dit worden in kwantummechanica termen 'gedegenereerde energieniveaus' genoemd. Dit beperkt ons vermogen om individuele valleien te beheersen. Een extern magnetisch veld kan worden gebruikt om deze degeneratie te doorbreken . Echter, de splitsing is zo klein dat je naar de National High Magnetic Field Laboratories zou moeten gaan om een ​​aanzienlijk energieverschil te meten. Onze nieuwe aanpak maakt de valleien toegankelijker en gemakkelijker te controleren, en hierdoor kunnen valleien nuttig zijn voor toekomstige informatieopslag en -verwerking, ' zei Zeng.

De eenvoudigste manier om te begrijpen hoe valleien kunnen worden gebruikt bij het verwerken van gegevens, is door twee valleien naast elkaar te beschouwen. Wanneer een vallei bezet is door elektronen, de schakelaar is "aan". Als de andere vallei bezet is, de schakelaar is "uit". Het werk van Zeng laat zien dat de valleien zo kunnen worden gepositioneerd dat een apparaat "aan" en "uit" kan worden gezet, "met een kleine hoeveelheid elektriciteit.

Microscopische ingrediënten

Zeng en zijn collega's creëerden een tweelaagse heterostructuur, met een 10 nanometer dikke film van magnetische EuS (europiumsulfide) op de bodem en een enkele laag (minder dan 1 nanometer) van het overgangsmetaal dichalcogenide WSe2 (wolfraamdiselenide) bovenop. Het magnetische veld van de onderste laag dwong de energiescheiding van de valleien in de WSe2.

Bij eerdere pogingen om de valleien te scheiden, werden zeer grote magnetische velden van buitenaf aangelegd. Er wordt aangenomen dat het experiment van Zeng de eerste keer is dat een ferromagnetisch materiaal is gebruikt in combinatie met een atomair dun halfgeleidermateriaal om de vallei-energieniveaus te splitsen.

"Zolang we het magnetische materiaal daar hebben, de valleien zullen uit elkaar blijven, " zei hij. "Dit maakt het waardevol voor niet-vluchtige geheugentoepassingen."

Athos Petrou, een UB Distinguished Professor in het departement Natuurkunde, het energieverschil tussen de gescheiden valleien gemeten door licht van het materiaal te kaatsen en de energie van gereflecteerd licht te meten.

"We krijgen dit soort resultaten meestal maar eens in de vijf of tien jaar, ' zei Petrou.

Uitbreiding van de wet van Moore

Het experiment werd uitgevoerd bij 7 graden Kelvin (-447 Fahrenheit), dus elk dagelijks gebruik van het proces ligt ver in de toekomst. Echter, bewijzen dat het mogelijk is, is een eerste stap.

"De reden waarom mensen hier zo enthousiast over zijn, is dat de wet van Moore [die zegt dat het aantal transistors in een geïntegreerde schakeling elke twee jaar verdubbelt] naar verwachting binnenkort zal eindigen. Het werkt niet meer omdat het zijn fundamentele limiet heeft bereikt, ' zei Zeng.

"De huidige computerchips zijn afhankelijk van de beweging van elektrische ladingen, en dat genereert een enorme hoeveelheid warmte naarmate computers krachtiger worden. Ons werk heeft Valleytronics echt een stap dichterbij gebracht om die uitdaging aan te gaan."