In molti materiali bidimensionali (2-D), gli elettroni non solo possiedono carica e spin, ma mostrano inoltre un'insolita caratteristica quantistica. Gli elettroni che risiedono in molti materiali 2-D possono vivere in minimi energetici ben separati, e l'"indirizzo" che descrive a quali minimi appartengono questi elettroni è noto come "valle". L'uso di questo "indirizzo di valle" per codificare ed elaborare le informazioni costituisce il nucleo di un nuovo vivace campo di ricerca noto come "valleytronica".

Nonostante molte anticipazioni su Valleytronics come candidato per la tecnologia "oltre CMOS" e per continuare l'eredità della legge di Moore, il suo progresso è gravemente ostacolato dalla mancanza di progetti pratici per un'unità di elaborazione delle informazioni basata su Valleytronic. Una delle principali sfide nella valletronica è la costruzione di un "filtro di valle" in grado di produrre corrente elettrica composta prevalentemente da elettroni da una sola valle specifica. Serve come elemento costitutivo fondamentale nella Valleytronics.

Sfruttando le insolite proprietà elettriche dei materiali 2-D come il fosforo nero a pochi strati e i film sottili semimetallici topologici Weyl/Dirac, ricercatori della Singapore University of Technology and Design (SUTD) hanno progettato un versatile, filtro valle completamente controllato elettricamente e ha dimostrato un progetto concreto di funzionamento di una porta logica valleytronic in grado di eseguire l'intero set di logiche booleane a due ingressi.

"Una scoperta particolarmente notevole è un approccio precedentemente inesplorato per ottenere un calcolo logicamente reversibile memorizzando informazioni nello stato di valle dell'elettrone, " ha detto il primo autore Dr. Yee Sin Ang di SUTD.

I computer digitali convenzionali elaborano le informazioni in modo logicamente irreversibile. Questo porta a un serio problema logico:dopo aver ricevuto un output di calcolo, un utente finale non può identificare in modo univoco le informazioni di input originali che producono questo output.

Rendere l'informatica digitale logicamente reversibile non è interessante solo in termini di scienza dell'informazione fondamentale, ma ha anche ampie applicazioni in settori come la crittografia, elaborazione di segnali e immagini, informatica quantistica, ed è infine necessario per migliorare l'efficienza energetica dei computer digitali oltre il collo di bottiglia termodinamico noto anche come limite di Landauer. Grazie al suo immenso potenziale, enormi sforzi di ricerca sono stati dedicati alla ricerca di un pratico computer reversibile dagli anni '70.

Il modo tradizionale di realizzare un computer logicamente reversibile si basa molto su circuiti complessi che generano inevitabilmente grandi quantità di bit dispendiosi. Questi metodi complessi e dispendiosi hanno impedito all'informatica reversibile di acquisire vasti interessi industriali e commerciali.

La novità chiave della porta logica reversibile basata su Valleytronic proposta dai ricercatori SUTD è che il dispositivo memorizza ulteriori bit di informazioni di input nello stato di valle dell'output computazionale per ottenere la reversibilità logica. Questo approccio Valleytronic aggira la necessità di circuiti complessi e riduce significativamente la generazione di bit inutili. Un'architettura così semplice è anche più compatibile con le crescenti richieste industriali e commerciali di dispositivi intelligenti compatti con dimensioni fisiche sempre più ridotte.

Co-autore e ricercatore principale di questa ricerca, SUTD Prof Ricky Ang, ha dichiarato:"L'unione di Valleytronics, l'elaborazione delle informazioni digitali e l'elaborazione reversibile possono fornire un nuovo paradigma verso il futuro di computer ad alta efficienza energetica con nuove funzionalità".