Forskare från University of Tokyo har visat en elektriskt styrbar dalströmsanordning som kan bana väg för "valleytronics"-enheter med ultralåg effekt.

På atomär skala, materia beter sig som både en partikel och en våg. Elektroner, därför, har en tillhörande våglängd som vanligtvis kan ha många olika värden. Men i kristallina system, vissa våglängder kan gynnas. grafen, till exempel, har två gynnade våglängder kända som K och K' (K-primtal). Det betyder att två elektroner i grafen kan ha samma energi men olika våglängder - eller, för att uttrycka det på ett annat sätt, annan "dal".

Elektronik använder laddning för att representera information, men när laddning strömmar genom ett material, viss energi försvinner som värme, ett problem för alla elektroniska enheter som används idag. Dock, om samma mängd elektroner i en kanal flyter i motsatta riktningar, ingen nettoladdning överförs och ingen värme försvinner - men i en vanlig elektronisk enhet skulle det innebära att ingen information skickades heller. En valleytronics-enhet som sänder information med hjälp av ren dalström, där elektroner med samma dal strömmar i en riktning, skulle inte ha denna begränsning, och erbjuder en väg till att förverkliga enheter med extremt låg effekt.

Experimentella studier av dalström har bara nyligen påbörjats. Kontroll av dalström i ett grafenmonoskikt har visats, men endast under mycket specifika förhållanden och med begränsad kontroll av omvandling från laddningsström till dalström. För att dalström ska vara ett gångbart alternativ till laddströmsbaserad modern elektronik, det är nödvändigt att styra omvandlingen mellan laddningsström och dalström över ett brett område vid höga temperaturer.

Nu, Professor Seigo Taruchas forskargrupp vid institutionen för tillämpad fysik vid Tekniska högskolan har skapat en elektriskt styrbar dalströmsanordning som omvandlar konventionell elektrisk ström till dalström, passerar den genom en lång (3,5 mikron) kanal, omvandlar sedan dalströmmen tillbaka till laddningsström som kan detekteras av en mätbar spänning. Forskargruppen använde ett dubbelskikt av grafen mellan två isolatorlager, med hela enheten inklämd mellan två ledande lager eller "grindar", möjliggör kontroll av dalen.

Gruppen överförde dalström över ett tillräckligt stort avstånd för att utesluta andra möjliga konkurrerande förklaringar till deras resultat och kunde kontrollera effektiviteten av dalströmsomvandling över ett brett spektrum. Enheten fungerade också vid temperaturer mycket högre än förväntat. "Vi mäter vanligtvis våra enheter vid temperaturer lägre än smältpunkten för helium (-268,95 C, bara 4,2 K över absoluta nollpunkten) för att upptäcka denna typ av fenomen, " säger Dr Yamamoto, en medlem i forskargruppen. "Vi blev förvånade över att signalen kunde detekteras även vid -203,15 C (70 K). I framtiden, det kan vara möjligt att utveckla enheter som kan fungera i rumstemperatur."

"Dalström, till skillnad från laddningsström är icke-avledande. Detta innebär att ingen energi går förlorad under överföringen av information, säger professor Tarucha. Han fortsätter, "När strömförbrukningen blir ett stort problem inom modern elektronik, dalströmsbaserade enheter öppnar en ny riktning för framtida datorenheter med ultralåg strömförbrukning."