In questa immagine di nanoscopia a infrarossi in campo vicino del grafene a doppio strato ottenuta presso la sorgente di luce avanzata, le pareti del dominio sono rivelate da linee luminose che si presentano a causa delle strutture elettroniche delle pareti e delle risposte IR.
All'elenco delle potenziali applicazioni del grafene – un semiconduttore bidimensionale di carbonio puro più forte e molto più veloce del silicio – possiamo ora aggiungere la valleytronics, la codifica dei dati nel moto ondulatorio degli elettroni mentre sfrecciano attraverso un conduttore. I ricercatori del Berkeley Lab hanno scoperto canali conduttori di elettroni unidimensionali topologicamente protetti sulle pareti del dominio del grafene a doppio strato. Questi canali conduttori sono "polarizzati a valle, " il che significa che possono fungere da filtri per la polarizzazione della valle di elettroni in dispositivi futuri come i computer quantistici.
"Combinando la microscopia a infrarossi su scala nanometrica del campo vicino e le misurazioni del trasporto elettrico a bassa temperatura, abbiamo registrato le prime osservazioni sperimentali di canali conduttori di elettroni balistici 1D sulle pareti del dominio del grafene a doppio strato, "dice Feng Wang, un fisico della materia condensata con la divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab, che ha condotto questo lavoro. "Questi canali conduttivi polarizzati a valle 1D presentavano una lunghezza balistica di circa 400 nanometri a 4 kelvin. La loro esistenza apre opportunità per esplorare fasi topologiche uniche e fisica della valle nel grafene".
Wang, che ha anche un appuntamento con il Dipartimento di Fisica dell'Università della California (UC) Berkeley, è l'autore corrispondente di un articolo che descrive questa ricerca sulla rivista Natura . Gli autori principali dell'articolo sono Long Ju e Zhiwen Shi, membri del gruppo di ricerca di Wang.
Valleytronics sta generando molto entusiasmo nel settore dell'alta tecnologia come potenziale strada per l'informatica quantistica. Come la spintronica, valleytronics offre un enorme vantaggio nella velocità di elaborazione dei dati rispetto alla carica elettrica utilizzata nell'elettronica classica.
(Da sinistra) Lungo Ju, Zhiwen Shi e Feng Wang hanno utilizzato la nanoscopia IR in campo vicino per scoprire canali di conduzione di elettroni 1D topologicamente protetti sulle pareti del dominio del grafene a doppio strato. Credito:Roy Kaltschmidt
"In Valleytronics, gli elettroni si muovono attraverso il reticolo di un semiconduttore 2D come un'onda con due valli di energia, ciascuna valle essendo caratterizzata da un distinto momento e numero di valle quantistica, " Dice Wang. "Questo numero della valle quantistica può essere utilizzato per codificare le informazioni quando gli elettroni si trovano in una valle di energia minima".
Recenti lavori teorici hanno suggerito che le pareti del dominio tra il grafene a doppio strato impilato AB e BA potrebbero fornire un luogo attraente per realizzare canali di conduzione di elettroni unidimensionali per la valleytronica perché la levigatezza delle pareti del dominio preserva le valli di elettroni, a differenza dei difetti atomici ai bordi del grafene che provocano la miscelazione della valle. Fino ad ora, però, non ci sono state prove sperimentali di questi canali.
Lavorando all'Advanced Light Source (ALS) del Berkeley Lab, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, Wang, Ju, Shi e i loro colleghi hanno utilizzato fasci di luce infrarossa strettamente focalizzati per l'immagine in situ di pareti di domini sovrapposti di strati di grafene a doppio strato sui substrati del dispositivo. I dispositivi ad effetto di campo fabbricati su queste pareti di dominio hanno rivelato i canali di conduzione 1D.
Nel lavoro di imaging del grafene a doppio strato di Feng Wang e del suo gruppo, La luce IR (gialla) viene focalizzata sull'apice di una punta AFM rivestita di metallo e la radiazione infrarossa retrodiffusa viene raccolta e misurata.
"Le misurazioni a infrarossi sono state effettuate presso la linea di luce ALS 5.4, " dice Shi. "Le capacità infrarosse di campo vicino di questa linea di luce consentono la spettroscopia ottica con risoluzioni spaziali ben oltre il limite di diffrazione, permettendoci di visualizzare le pareti del dominio di dimensioni nanometriche in grafene a doppio strato".
Ad oggi, la maggior parte della ricerca Valleytronics si è concentrata sui semiconduttori 2D noti come materiali MX2, che consistono in un singolo strato di atomi di metalli di transizione, come molibdeno o tungsteno, racchiusa tra due strati di atomi di calcogeno, come lo zolfo. I risultati di questo studio dimostrano che le fasi topologiche protette possono essere realizzate anche nel grafene a doppio strato, che è un semiconduttore sintonizzabile, rendendo i fogli di carbonio 2D utili per le applicazioni Valleytronic.
"Il nostro prossimo passo è aumentare la lunghezza balistica di questi canali 1D in modo da poterli utilizzare come filtri della valle di elettroni, così come per altre manipolazioni delle valli elettroniche nel grafene, " dice Wang.
