I många tvådimensionella (2D) material, elektroner har inte bara laddning och spin, men uppvisar vidare en ovanlig kvantfunktion. Elektroner som finns i många 2D-material kan leva i väl separerade energiminima, och "adressen" som beskriver vilka minima dessa elektroner tillhör är känd som "dalen". Användningen av denna "daladress" för att koda och bearbeta information utgör kärnan i ett nytt pulserande forskningsfält känt som "valleytronics".

Trots mycket förväntan på valleytronics som en kandidat för "beyond CMOS"-teknik och för att fortsätta arvet från Moores lag, dess framsteg hindras allvarligt av bristen på praktiska konstruktioner för en valleytronic-baserad informationsbehandlingsenhet. En stor utmaning inom valleytronics är konstruktionen av ett "dalfilter" som kan producera elektrisk ström som dominerande består av elektroner från endast en specifik dal. Den fungerar som en grundläggande byggsten inom valleytronics.

Genom att utnyttja de ovanliga elektriska egenskaperna hos 2D-material som fålagers svart fosfor och topologiska Weyl/Dirac-halvmetalltunna filmer, forskare från Singapore University of Technology and Design (SUTD) designade en mångsidig, helt elektriskt styrt dalfilter och demonstrerade en konkret fungerande design av en valleytronisk logikgrind som kan utföra hela uppsättningen av boolesk logik med två ingångar.

"Ett särskilt anmärkningsvärt fynd är ett tidigare outforskat tillvägagångssätt för att uppnå logiskt reversibel beräkning genom att lagra information i elektronens dalläge, " sa förstaförfattaren Dr. Yee Sin Ang från SUTD.

Konventionella digitala datorer bearbetar information på ett logiskt oåterkalleligt sätt. Detta leder till ett allvarligt logiskt problem — vid mottagande av en beräkningsutgång, en slutanvändare kan inte entydigt identifiera den ursprungliga indatainformationen som producerar denna utdata.

Att göra digital datoranvändning logiskt reversibel är inte bara intressant i termer av grundläggande informationsvetenskap, men har också breda tillämpningar inom områden som kryptografi, signal- och bildbehandling, kvantberäkning, och krävs i slutändan för att förbättra digitala datorers energieffektivitet bortom den termodynamiska flaskhalsen även känd som Landauers gräns. På grund av sin enorma potential, enorma forskningsinsatser har ägnats åt sökandet efter en praktisk reversibel dator sedan 1970-talet.

Det traditionella sättet att göra en logiskt reversibel dator är starkt beroende av komplexa kretsar som oundvikligen genererar stora mängder slösaktiga bitar. Dessa komplexa och slösaktiga metoder har förhindrat reversibel datoranvändning från att få omfattande industriella och kommersiella intressen.

Nyckelnyheten med den valleytronic-baserade reversibla logikgrinden som föreslagits av SUTD-forskare är att enheten lagrar ytterligare bitar av indatainformation i daltillståndet för beräkningsutgången för att uppnå logisk reversibilitet. Detta valleytroniska tillvägagångssätt kringgår behovet av komplexa kretsar och minskar avsevärt genereringen av slösaktiga bitar. En sådan enkel arkitektur är också mer kompatibel med de ständigt växande industriella och kommersiella kraven på kompakta smarta enheter med ständigt krympande fysiska storlekar.

Medförfattare och huvudforskare av denna forskning, SUTD Prof Ricky Ang, sa:"The Union of valleytronics, digital informationsbehandling och reversibel datoranvändning kan ge ett nytt paradigm mot framtiden för en ytterst energieffektiv dator med nya funktioner."