Valleytronics è un campo emergente in cui le valli, i minimi locali nella struttura delle bande di energia dei solidi, vengono utilizzate per codificare, processi, e memorizzare le informazioni quantistiche. Sebbene si pensasse che il grafene non fosse adatto per la Valleytronics a causa della sua struttura simmetrica, ricercatori dell'Indian Institute of Technology di Bombay, India, hanno recentemente dimostrato che non è così. Le loro scoperte potrebbero aprire la strada a computer quantistici di piccole dimensioni in grado di funzionare a temperatura ambiente.

Dal lato del consumatore, è abbastanza facile notare i passi da gigante che il campo dell'elettronica ha fatto negli ultimi decenni; con gadget indossabili, città intelligenti, auto a guida autonoma, missioni spaziali migliorate, robot, olografia, e supercomputer, le possibilità di progresso tecnologico sembrano infinite. Però, all'insaputa della maggior parte delle persone, questa tendenza accelerata del progresso tecnologico alimentato dall'elettronica si sta rapidamente arrestando poiché i componenti elettronici raggiungono i loro limiti pratici. Se vogliamo continuare a migliorare la nostra potenza e capacità di calcolo, dovremo trovare nuovi modi per archiviare ed elaborare i dati oltre il semplice flusso e carica degli elettroni, ecco come funziona l'elettronica moderna.

Quindi i computer quantistici sono recentemente diventati un argomento scottante. Codificando le informazioni nei fenomeni quantistici, i computer quantistici trascendono la nozione binaria di ogni bit come "0" o "1". Anziché, i bit quantistici esistono come sovrapposizioni di "0" e "1" e possono quindi assumere valori intermedi. Sfruttando le sovrapposizioni attraverso algoritmi accuratamente progettati, I computer quantistici potrebbero teoricamente superare i computer convenzionali di diversi ordini di grandezza in termini di velocità. Purtroppo, si è dimostrato difficile trovare fenomeni quantistici adatti per codificare le informazioni a temperatura ambiente. computer esistenti, come quelli di proprietà di Google, IBM, e Microsoft, devono essere mantenuti a temperature ultrabasse inferiori a -196,1 gradi Celsius, che li rende costosi e poco pratici da utilizzare.

Fortunatamente, c'è un approccio molto promettente per la codifica delle informazioni quantistiche che viene attivamente esplorato:la valleytronics. A parte la loro carica, gli elettroni hanno un altro parametro che può essere manipolato, vale a dire il loro "pseudospin di valle, " che è la valle occupata dall'elettrone. Queste cosiddette valli sono minimi locali nelle bande di energia dei solidi, che determinano lo stato energetico e la posizione degli elettroni. Valli, con il loro stato di occupazione governato dalla meccanica quantistica, può essere utilizzato per codificare, processi, e memorizzare le informazioni quantistiche a temperature meno restrittive.

Recentemente, un team di scienziati dell'Indian Institute of Technology (IIT) Bombay, India, e Max-Born Institute, Germania, ha raggiunto una svolta nel campo della valleytronics. Nel loro ultimo studio, pubblicato in ottica , presentano un modo per eseguire operazioni di valle in monostrato o grafene incontaminato, che è stato ritenuto impossibile da altri ricercatori nel campo. In qualità di figlio manifesto dei nanomateriali di carbonio, il grafene è costituito da atomi di carbonio in uno schema esagonale e presenta una miriade di proprietà favorevoli. Strati atomicamente sottili di grafene hanno valli di elettroni ma, a causa della simmetria intrinseca del materiale, erano ritenuti inutili per le operazioni di valle.

Nonostante le probabilità, il team ha escogitato una strategia per rompere la simmetria della valle del grafene usando la luce. Professore Associato Gopal Dixit dell'IIT Bombay, che ha condotto lo studio, spiega:"Adattando la polarizzazione di due fasci di luce in base al reticolo triangolare del grafene, abbiamo trovato possibile rompere la simmetria tra due atomi di carbonio vicini e sfruttare la struttura a bande elettroniche nelle regioni vicine alle valli, inducendo la polarizzazione della valle." In altre parole, ciò consente l'uso delle valli del grafene per "scrivere" efficacemente le informazioni. Il Dr. Dixit sottolinea anche che i lampi di luce possono far oscillare gli elettroni diverse centinaia di trilioni di volte al secondo. In teoria, questo significa che la Valleytronics a tassi di petahertz è possibile, che supera di un milione di volte le moderne velocità di calcolo.

Uno degli aspetti più interessanti della conduzione di operazioni di valle nel grafene è che è possibile farlo a temperatura ambiente. "Il nostro lavoro potrebbe aprire la porta alla miniatura, computer quantistici generici che possono essere utilizzati da persone normali, proprio come i laptop, " osserva il dott. Dixit. Con le maggiori velocità di calcolo fornite dai computer quantistici, sarà molto più veloce eseguire simulazioni molecolari, Analisi dei Big Data, apprendimento profondo, e altri compiti computazionalmente intensivi. A sua volta, questo accelererà lo sviluppo di nuovi farmaci e la delucidazione delle strutture molecolari, che aiuterà nella ricerca di cure per malattie complesse tra cui COVID-19.