Questo schema mostra un monostrato TMDC accoppiato con un semiconduttore ferromagnetico ospite, che è un approccio sperimentale sviluppato dagli scienziati del Berkeley Lab che potrebbe portare a dispositivi Valleytronic. La polarizzazione della valle può essere determinata direttamente dall'elicità dell'elettroluminescenza emessa, indicato dalla freccia arancione, come risultato di fori spin-polarizzati elettricamente iniettati nel monostrato TMDC, indicato dalla freccia blu. La freccia nera rappresenta la direzione del campo magnetico applicato. Credito:Berkeley Lab
Gli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno compiuto un grande passo avanti verso l'applicazione pratica della "valleytronics, " che è un nuovo tipo di elettronica che potrebbe portare a sistemi logici informatici e chip di archiviazione dati più veloci ed efficienti nei dispositivi di prossima generazione.
Come riportato online il 4 aprile sulla rivista Nanotecnologia della natura , gli scienziati hanno dimostrato sperimentalmente, per la prima volta, la capacità di generare e controllare elettricamente gli elettroni di valle in un semiconduttore bidimensionale.
Gli elettroni della valle sono così chiamati perché portano un "grado di libertà" della valle. Questo è un nuovo modo di sfruttare gli elettroni per l'elaborazione delle informazioni che si aggiunge all'utilizzo degli altri gradi di libertà di un elettrone, che sono spin quantistico nei dispositivi spintronici e carica nell'elettronica convenzionale.
Più specificamente, le valli elettroniche si riferiscono ai picchi e alle valli di energia nelle bande elettroniche. Un semiconduttore bidimensionale chiamato dicalcogenuro di metallo di transizione (TMDC) ha due valli distinguibili di spin e momento opposti. A causa di ciò, il materiale è adatto per dispositivi valleytronic, in cui l'elaborazione e l'archiviazione delle informazioni potrebbero essere effettuate popolando selettivamente una valle o l'altra.
Però, lo sviluppo di dispositivi valleytronic richiede il controllo elettrico sulla popolazione di elettroni di valle, un passo che finora si è rivelato molto impegnativo da raggiungere.
Ora, Gli scienziati del Berkeley Lab hanno dimostrato sperimentalmente la capacità di generare e controllare elettricamente gli elettroni della valle nei TMDC. Questo è un progresso particolarmente importante perché i TMDC sono considerati più "pronti per il dispositivo" rispetto ad altri semiconduttori che presentano proprietà Valleytronic.
"Questa è la prima dimostrazione dell'eccitazione elettrica e del controllo degli elettroni della valle, che accelererà la prossima generazione di elettronica e tecnologia dell'informazione, "dice Xiang Zhang, che ha condotto questo studio e che è il direttore della divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab.
Zhang detiene anche la cattedra Ernest S. Kuh Endowed presso l'Università della California (UC) Berkeley ed è membro del Kavli Energy NanoSciences Institute di Berkeley. Diversi altri scienziati hanno contribuito a questo lavoro, compreso Yu Ye, Jun Xiao, Hailong Wang, Ziliang Ye, Hanyu Zhu, Mervin Zhao, Yuan Wang, Jianhua Zhao e Xiaobo Yin.
La loro ricerca potrebbe portare a un nuovo tipo di elettronica che utilizza tutti e tre i gradi di libertà:carica, rotazione, e valle, che insieme potrebbero codificare un elettrone con otto bit di informazione invece di due nell'elettronica di oggi. Ciò significa che i futuri chip per computer potrebbero elaborare più informazioni con meno energia, abilitando tecnologie informatiche più veloci e più efficienti dal punto di vista energetico.
"I dispositivi Valleytronic hanno il potenziale per trasformare le comunicazioni dati ad alta velocità e i dispositivi a bassa potenza, " dice Sì, un ricercatore post-dottorato nel gruppo di Zhang e l'autore principale dell'articolo.
Gli scienziati hanno dimostrato il loro approccio accoppiando un semiconduttore ferromagnetico ospite con un monostrato di TMDC. L'iniezione di spin elettrica dal semiconduttore ferromagnetico ha localizzato i portatori di carica in una valle di momento nel monostrato TMDC.
È importante sottolineare che gli scienziati sono stati in grado di eccitare elettricamente e confinare i portatori di carica solo in una delle due serie di valli. Ciò è stato ottenuto manipolando le polarizzazioni di spin del vettore iniettato, in cui lo spin e la valle sono bloccati insieme nel monostrato TMDC.
I due gruppi di valli emettono luce polarizzata circolarmente diversa. Gli scienziati hanno osservato questa luce polarizzata circolarmente, che ha confermato che avevano elettroni di valle indotti e controllati elettricamente con successo in TMDC.
"La nostra ricerca ha risolto due sfide principali nei dispositivi valleytronic. La prima è limitare elettricamente gli elettroni a una valle di momento. La seconda è rilevare la corrente polarizzata della valle risultante mediante elettroluminescenza polarizzata circolare, " dice Ye. "La nostra generazione elettrica diretta e il controllo dei portatori di carica di valle, in TMDC, apre nuove dimensioni nell'utilizzo dei gradi di libertà sia di spin che di valle per l'elettronica e l'informatica di nuova generazione."
