Forskare vid U.S. Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har tagit ett stort steg mot den praktiska tillämpningen av "valleytronics, "som är en ny typ av elektronik som kan leda till snabbare och effektivare datalogiksystem och datalagringschips i nästa generations enheter.

Som rapporterades online 4 april i tidningen Naturens nanoteknik , forskarna demonstrerade experimentellt, för första gången, förmågan att elektriskt generera och styra dalelektroner i en tvådimensionell halvledare.

Dalenelektroner heter så eftersom de bär en "frihetsgrad" i dalen. Detta är ett nytt sätt att utnyttja elektroner för informationsbehandling som är förutom att använda elektronens andra frihetsgrader, som är kvantspinn i spintronic -enheter och laddas i konventionell elektronik.

Mer specifikt, elektroniska dalar hänvisar till energitopparna och dalarna i elektroniska band. En tvådimensionell halvledare som kallas övergångsmetalldykalkogenid (TMDC) har två urskiljbara dalar med motsatt snurrning och momentum. På grund av detta, materialet är lämpligt för valleytronic -enheter, i vilken informationsbehandling och lagring kan utföras genom att selektivt fylla en eller annan dal.

Dock, utveckling av valleytronic -apparater kräver elektrisk kontroll över populationen av dalelektroner, ett steg som har visat sig mycket utmanande att nå hittills.

Nu, Berkeley Lab -forskare har experimentellt visat förmågan att elektriskt generera och kontrollera dalelektroner i TMDC. Detta är ett särskilt viktigt framsteg eftersom TMDC anses vara mer "redo för enheten" än andra halvledare som uppvisar valleytronic -egenskaper.

"Detta är den första demonstrationen av elektrisk excitation och kontroll av dalens elektroner, som kommer att påskynda nästa generations elektronik och informationsteknik, "säger Xiang Zhang, som ledde denna studie och som är chef för Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning.

Zhang innehar också Ernest S. Kuh Endowed Chair vid University of California (UC) Berkeley och är medlem av Kavli Energy NanoSciences Institute i Berkeley. Flera andra forskare bidrog till detta arbete, inklusive Yu Ye, Jun Xiao, Hailong Wang, Ziliang Ye, Hanyu Zhu, Mervin Zhao, Yuan Wang, Jianhua Zhao och Xiaobo Yin.

Deras forskning kan leda till en ny typ av elektronik som utnyttjar alla tre frihetsgraderna - laddning, snurra, och dalen, som tillsammans skulle kunna koda en elektron med åtta bitar information istället för två i dagens elektronik. Detta innebär att framtida datorchips kan bearbeta mer information med mindre ström, möjliggör snabbare och mer energieffektiv datorteknik.

"Valleytronic-enheter har potential att transformera höghastighetsdatakommunikation och lågeffektsenheter, "säger du, en postdoktor i Zhangs grupp och huvudförfattare till uppsatsen.

Forskarna demonstrerade sitt tillvägagångssätt genom att koppla en ferromagnetisk halvledare med ett monoskikt av TMDC. Elektrisk centrifugering från den ferromagnetiska halvledaren lokaliserade laddningsbärarna till en momentumdal i TMDC -monoskiktet.

Viktigt, forskarna kunde elektriskt excitera och begränsa laddningsbärarna i endast en av två uppsättningar av dalar. Detta uppnåddes genom att manipulera den injicerade bärarens spinnpolarisationer, där snurren och dalen är låsta ihop i TMDC -monoskiktet.

De två dalgångarna avger olika cirkulärt polariserat ljus. Forskarna observerade detta cirkulärt polariserade ljus, vilket bekräftade att de framgångsrikt hade elektriskt inducerade och kontrollerade dalelektroner i TMDC.

"Vår forskning löste två huvudutmaningar i valleytronic-enheter. Den första är att begränsa elektroner till en momentumdal. Den andra upptäcker den resulterande dalpolariserade strömmen genom cirkulär polariserad elektroluminescens, "säger Ye." Vår direkta elektriska produktion och kontroll av dalbärare, i TMDC, öppnar upp nya dimensioner för att utnyttja både snurr- och dalgraderna för nästa generations elektronik och datorer. "