I strävan att hitta nya sätt att utöka elektroniken utöver användningen av kisel, fysiker experimenterar med andra egenskaper hos elektroner, utan kostnad. I arbete publicerat idag (7 december) i tidskriften Vetenskap , ett team under ledning av Penn State professor i fysik Jun Zhu beskriver ett sätt att manipulera elektroner baserat på deras energi i förhållande till momentum – kallat "dalfrihetsgrad".

"Föreställ dig att du är i en värld där elektroner är färgade - röda eller blå, "Zhu sa, "och vägarna som elektroner färdas på är också färgade röda eller blå. Elektroner får bara färdas på vägar av samma färg, så att en blå elektron skulle behöva förvandlas till en röd elektron för att resa på den röda vägen."

Två år sedan, Zhus team visade att de kunde bygga färgkodade, tvåvägsvägar i ett material som kallas dubbelskiktsgrafen. På grund av deras färgkodning, dessa vägar är topologiska. I den aktuella studien, forskarna gjorde en fyrvägskorsning där vägarnas färgkodning ändras på andra sidan. Därför, du har en situation där en blå bil som färdas norrut kommer till denna korsning och upptäcker att på andra sidan korsningen är norrgående vägar röda. Om elektronen inte kan ändra färg, det är förbjudet att resa vidare.

Dessa vägar är faktiskt elektronvågledare skapade av grindar som definieras med extrem precision med hjälp av den senaste elektronstrålelitografin. Färgerna är faktiskt bilarnas dalindex, och vägarnas färgkodning styrs av vågledarnas topologi, analogt med reglerna för vänsterkörning och högerkörning i olika länder. Att ändra färgen på bilarna kräver "spridning mellan dalen, " som minimeras i experimentet för att trafikkontrollen ska fungera.

"Vad vi har uppnått här är en topologisk dalventil, som använder en ny mekanism för att kontrollera elektronflödet, ", sa Zhu. "Detta är en del av ett nystartat elektronikområde som kallas valleytronics. I vårt experiment, att kontrollera topologin - elektronernas dalmomentumlåsning - är det som fick det att fungera."

I studien, forskarna frågade vart skulle den metaforiska blå bilen ta vägen om den inte kunde åka vidare?

"Den måste svänga antingen till vänster eller höger, " sa huvudförfattaren Jing Li, Zhus tidigare doktorand, nu postdoktor vid Los Alamos National Lab.

"Vi har ytterligare sätt att kontrollera den svängande trafiken - genom att flytta filen stegvis närmare en höger- eller vänstersväng, andelen elektroner/bilar som svänger åt höger eller vänster kan ställas in smidigt till 60 procent åt ett håll, 40 procent den andra, eller någon annan kombination av procentsatser."

Denna kontrollerade partition kallas en "stråldelare, " vilket är vanligt för ljus men inte lätt att åstadkomma med elektroner. Zhu och Li sa att de är entusiastiska över denna kontroll de har uppnått för sina färgkodade vägar, eftersom det möjliggör mer avancerade experiment på vägen.

"Skapandet av enheten kräver många steg och ganska komplicerad e-beam litografi, " sa Li. "Tack och lov, Penn States toppmoderna anläggning för nanotillverkning samt ett team av professionell supportpersonal gjorde det möjligt för oss att göra allt detta."

Nästa utmaning för Zhus team blir att försöka bygga sina enheter för att fungera i rumstemperatur snarare än vid de mycket kalla temperaturer de för närvarande behöver. Det är genomförbart, Zhu tror, men utmanande.

"Tänket vi använde för att göra den här enheten är skalbar, ", sa Zhu. "Om dubbelskiktsgrafen med stor yta och hexagonal bornitrid blir tillgängliga, vi kan potentiellt göra en stad av topologiska vägar och skjutsa elektroner till platser de behöver gå, allt utan motstånd. Det skulle vara väldigt coolt."