In de zoektocht naar nieuwe manieren om elektronica verder te brengen dan het gebruik van silicium, natuurkundigen experimenteren met andere eigenschappen van elektronen, boven de lading. In werk dat vandaag (7 december) in het tijdschrift is gepubliceerd Wetenschap , een team onder leiding van Penn State-hoogleraar natuurkunde Jun Zhu beschrijft een manier om elektronen te manipuleren op basis van hun energie in relatie tot momentum - de 'valley-graad van vrijheid'.

"Stel je voor dat je in een wereld bent waar elektronen gekleurd zijn - rood of blauw, "Zhu zei, "en de wegen waarop elektronen reizen, zijn ook rood of blauw gekleurd. Elektronen mogen alleen reizen op wegen van dezelfde kleur, zodat een blauw elektron in een rood elektron zou moeten veranderen om op de rode weg te reizen."

Twee jaar geleden, Zhu's team liet zien dat ze kleurgecodeerde, tweerichtingswegen in een materiaal dat dubbellaags grafeen wordt genoemd. Door hun kleurcodering, deze wegen zijn topologisch. In de huidige studie, de onderzoekers maakten een vierrichtingskruispunt waarbij de kleurcodering van de wegen aan de andere kant is geschakeld. Daarom, je hebt een situatie waarin een blauwe auto die in noordelijke richting rijdt op dit kruispunt komt en ontdekt dat aan de andere kant van het kruispunt de wegen in noordelijke richting rood gekleurd zijn. Als het elektron niet van kleur kan veranderen, het is verboden verder te reizen.

Deze wegen zijn eigenlijk elektronengolfgeleiders die zijn gemaakt door poorten die met extreme precisie zijn gedefinieerd met behulp van ultramoderne elektronenstraallithografie. De kleuren zijn eigenlijk de vallei-index van de auto's, en de kleurcodering van de wegen wordt gecontroleerd door de topologie van de golfgeleiders, analoog aan de regels voor links rijden en rechts rijden van verschillende landen. Het veranderen van de kleur van de auto's vereist "inter-valley scattering, " die in het experiment wordt geminimaliseerd om de verkeersleiding te laten werken.

"Wat we hier hebben bereikt, is een topologische dalklep, die een nieuw mechanisme gebruikt om de elektronenstroom te regelen, "Zei Zhu. "Dit maakt deel uit van een nieuw gebied van elektronica dat valleytronics wordt genoemd. In ons experiment, het beheersen van de topologie - de vergrendeling van het dal-momentum van de elektronen - heeft ervoor gezorgd dat het werkte."

In de studie, vroegen de onderzoekers waar zou de metaforische blauwe auto heen gaan als hij niet verder kon rijden?

"Het zal naar links of naar rechts moeten draaien, " zei hoofdauteur Jing Li, Zhu's voormalige doctoraatsstudent, nu een postdoctoraal onderzoeker bij Los Alamos National Lab.

"We hebben aanvullende manieren om het afslaande verkeer te beheersen - door de rijstrook stapsgewijs dichter bij een bocht naar rechts of links te brengen, het percentage elektronen/auto's dat naar rechts of links draait, kan soepel worden afgesteld op 60 procent in één richting, 40 procent de andere, of een andere combinatie van percentages."

Deze gecontroleerde partitie wordt een "straalsplitser, " wat gebruikelijk is voor licht, maar niet gemakkelijk te bereiken met elektronen. Zhu en Li zeiden dat ze enthousiast zijn over deze controle die ze hebben bereikt voor hun kleurgecodeerde wegen, omdat het meer geavanceerde experimenten mogelijk maakt.

"Het maken van het apparaat vereist veel stappen en vrij gecompliceerde e-beam-lithografie, " zei Li. "Gelukkig, De ultramoderne nanofabricagefaciliteit van Penn State en een team van professioneel ondersteunend personeel hebben ons in staat gesteld om dit allemaal te doen."

De volgende uitdaging voor het team van Zhu zal zijn om te proberen hun apparaten te bouwen om bij kamertemperatuur te werken in plaats van bij de zeer koude temperaturen die ze momenteel nodig hebben. Het is te doen, Zhu gelooft, maar uitdagend.

"De aanpak die we hebben gekozen om dit apparaat te maken is schaalbaar, "Zei Zhu. "Als er tweelaags grafeen met een groot oppervlak en zeshoekig boornitride beschikbaar komen, we kunnen mogelijk een stad maken van topologische wegen en elektronen naar plaatsen brengen waar ze heen moeten, allemaal zonder weerstand. Dat zou heel gaaf zijn."