I halvledarfysikens värld, målet är att utforma mer effektiva och mikroskopiska sätt att kontrollera och hålla reda på 0 och 1, de binära koder som all informationslagring och logikfunktioner i datorer är baserade på.

Ett nytt fysikfält som söker sådana framsteg kallas valleytronics, som utnyttjar elektronens "dalens frihetsgrad" för datalagring och logikapplikationer. Enkelt uttryckt, dalar är maxima och minima av elektronenergier i ett kristallint fast ämne. En metod för att styra elektroner i olika dalar kan ge nya, supereffektiva datorchips.

Ett universitet i Buffalo -team, ledd av Hao Zeng, Doktorsexamen, professor vid institutionen för fysik, arbetat med forskare runt om i världen för att upptäcka ett nytt sätt att dela energinivåerna mellan dalarna i en tvådimensionell halvledare.

Arbetet beskrivs i en studie som publicerades online idag (1 maj, 2017) i tidningen Naturnanoteknik .

Nyckeln till Zengs upptäckt är användningen av en ferromagnetisk förening för att dra isär dalarna och hålla dem på olika energinivåer. Detta leder till en ökning av separationen av dalenergier med en faktor 10 mer än den som erhålls genom att applicera ett externt magnetfält.

"Normalt finns det två dalar i dessa atomtunna halvledare med exakt samma energi. Dessa kallas 'degenererade energinivåer' i kvantmekaniska termer. Detta begränsar vår förmåga att styra enskilda dalar. Ett externt magnetfält kan användas för att bryta denna degeneration . Dock, klyvningen är så liten att du måste gå till National High Magnetic Field Laboratories för att mäta en betydande energiskillnad. Vår nya metod gör dalarna mer tillgängliga och lättare att kontrollera, och detta kan göra att dalar kan vara användbara för framtida informationslagring och behandling, "Sa Zeng.

Det enklaste sättet att förstå hur dalar kan användas vid bearbetning av data kan vara att tänka på två dalar sida vid sida. När en dal är upptagen av elektroner, omkopplaren är "på". När den andra dalen är ockuperad, omkopplaren är "av". Zengs arbete visar att dalarna kan placeras på ett sådant sätt att en enhet kan slås "på" och "av, "med en liten mängd el.

Mikroskopiska ingredienser

Zeng och hans kollegor skapade en tvåskiktad heterostruktur, med en 10 nanometer tjock film av magnetisk EuS (europiumsulfid) på botten och ett enda lager (mindre än 1 nanometer) av övergångsmetallen dikalkogenid WSe2 (volfram diselenid) ovanpå. Magnetfältet i bottenlagret tvingade energiseparationen av dalarna i WSe2.

Tidigare försök att separera dalarna innebar applicering av mycket stora magnetfält utifrån. Zengs experiment tros vara första gången ett ferromagnetiskt material har använts i samband med ett atomiskt tunt halvledarmaterial för att dela upp dalens energinivåer.

"Så länge vi har det magnetiska materialet där, dalarna kommer att hålla isär, "sa han." Detta gör det värdefullt för icke -flyktiga minnesapplikationer. "

Athos Petrou, en UB Distinguished Professor vid Institutionen för fysik, mätte energiskillnaden mellan de separerade dalarna genom att studsa bort ljus från materialet och mäta energi från reflekterat ljus.

"Vi får vanligtvis den här typen av resultat bara var femte eller tio år, "Sa Petrou.

Förlängning av Moores lag

Experimentet utfördes vid 7 grader Kelvin (-447 Fahrenheit), så varje daglig användning av processen är långt i framtiden. Dock, bevisa att det är möjligt är ett första steg.

"Anledningen till att folk verkligen är glada över det här, är att Moores lag [som säger att antalet transistorer i en integrerad krets fördubblas vartannat år] förutspås sluta snart. Det fungerar inte längre eftersom det har nått sin grundläggande gräns, "Sa Zeng.

"Nuvarande datorchips är beroende av rörelsen av elektriska laddningar, och det genererar en enorm mängd värme när datorer blir mer kraftfulla. Vårt arbete har verkligen drivit valleytronics ett steg närmare för att komma över den utmaningen. "