Forskning som visas idag i Naturkommunikation finner användbar ny informationshanteringspotential i prover av tenn(II)sulfid (SnS), en kandidat "valleytronics" transistormaterial som en dag kan göra det möjligt för chiptillverkare att packa mer datorkraft på mikrochips.

Forskningen leddes av Jie Yao från Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och Shuren Lin från UC Berkeleys Department of Materials Science and Engineering och inkluderade forskare från Singapore och Kina. Berkeley Labs Molecular Foundry, en DOE Office of Science-användaranläggning, bidragit till arbetet.

I flera decennier, förbättringar i konventionella transistormaterial har varit tillräckliga för att upprätthålla Moores lag - det historiska mönstret av mikrochipstillverkare som packar fler transistorer (och därmed mer informationslagring och hanteringskapacitet) i en given volym kisel. I dag, dock, Chiptillverkare är oroliga för att de snart kan nå de grundläggande gränserna för konventionella material. Om de inte kan fortsätta att packa fler transistorer i mindre utrymmen, de oroar sig för att Moores lag skulle gå sönder, förhindra framtida kretsar från att bli mindre och kraftfullare än sina föregångare.

Det är därför forskare världen över är på jakt efter nya material som kan beräknas i mindre utrymmen, främst genom att dra nytta av de ytterligare frihetsgrader som materialen erbjuder - med andra ord, använda ett materials unika egenskaper för att beräkna fler nollor och ettor i samma utrymme. Spintronics, till exempel, är ett koncept för transistorer som utnyttjar elektronernas upp- och nersnurr i material som på/av-transistorn säger.

Valleytronics, ett annat framväxande tillvägagångssätt, använder det mycket selektiva svaret från kandidatkristallina material under specifika belysningsförhållanden för att ange deras på/av-tillstånd - dvs. använda materialens bandstrukturer så att informationen om 0:or och 1:or lagras i separata energidalar av elektroner, som är beroende av materialens kristallstrukturer.

I denna nya studie, forskargruppen har visat att tenn(II)sulfid (SnS) kan absorbera olika polarisationer av ljus och sedan selektivt återutsända ljus av olika färger vid olika polarisationer. Detta är användbart för att samtidigt komma åt både de vanliga elektroniska - och materialets valleytroniska - frihetsgrader, vilket väsentligt skulle öka beräkningskraften och datalagringstätheten för kretsar gjorda med materialet.

"Vi visar ett nytt material med distinkta energidalar som direkt kan identifieras och kontrolleras separat, ", sa Yao. "Detta är viktigt eftersom det ger oss en plattform för att förstå hur dalsignaturer bärs av elektroner och hur information enkelt kan lagras och bearbetas mellan dalarna, som är av både vetenskaplig och teknisk betydelse."

Lin, tidningens första författare, sade att materialet skiljer sig från tidigare undersökta valleytronics-kandidatmaterial eftersom det har sådan selektivitet vid rumstemperatur utan ytterligare förspänningar förutom excitationsljuskällan, vilket lindrar de tidigare stränga kraven på kontroll av dalarna. Jämfört med sina föregångare material, SnS är också mycket lättare att bearbeta.

Med detta fynd, forskare kommer att kunna utveckla operativa valleytronic-enheter, som en dag kan integreras i elektroniska kretsar. Den unika kopplingen mellan ljus och dalar i detta nya material kan också bana väg mot framtida hybridelektroniska/fotoniska chips.

Berkeley Labs initiativ "Beyond Moore's Law" utnyttjar de grundläggande vetenskapliga kapaciteterna och unika användarfaciliteterna hos Berkeley Lab och UC Berkeley för att utvärdera lovande kandidater för nästa generations elektronik och datorteknik. Dess mål är att bygga nära partnerskap med industrin för att påskynda den tid det vanligtvis tar att gå från upptäckten av en teknologi till dess uppskalning och kommersialisering.