Fili unidimensionali creati in grafene a doppio strato recintati da due coppie di porte divise sopra e sotto il foglio. I fili che viaggiano in direzioni opposte trasportano elettroni di diversi stati di valle etichettati come K e K' nella figura. Credito:Zhu, Penn State
Un dispositivo fatto di grafene a doppio strato, una disposizione esagonale atomicamente sottile di atomi di carbonio, fornisce una prova sperimentale della capacità di controllare la quantità di moto degli elettroni e offre un percorso verso l'elettronica che potrebbe richiedere meno energia ed emettere meno calore rispetto ai transistor standard a base di silicio. È un passo avanti in un nuovo campo della fisica chiamato valleytronics.
"Gli attuali dispositivi a transistor a base di silicio si basano sulla carica degli elettroni per accendere o spegnere il dispositivo, ma molti laboratori stanno cercando nuovi modi per manipolare gli elettroni basati su altre variabili, chiamati gradi di libertà, " ha detto Jun Zhu, professore associato di fisica, Penn State, che ha diretto la ricerca. "La carica è un grado di libertà. Lo spin dell'elettrone è un altro, e la capacità di costruire transistor basati sullo spin, chiamata spintronica, è ancora in fase di sviluppo. Un terzo grado di libertà elettronico è lo stato di valle degli elettroni, che si basa sulla loro energia in relazione al loro slancio."
Pensa agli elettroni come alle automobili e agli stati della valle come i colori blu e rosso, Zhu ha suggerito, proprio come un modo per differenziarli. All'interno di un foglio di grafene a doppio strato, gli elettroni normalmente occuperanno entrambi gli stati di valle rossa e blu e viaggeranno in tutte le direzioni. Il dispositivo il suo dottorato di ricerca. alunno, Jing Li, ha lavorato può far andare le auto rosse in una direzione e le auto blu nella direzione opposta.
"Il sistema creato da Jing mette una coppia di porte sopra e sotto un foglio di grafene a doppio strato. Quindi aggiunge un campo elettrico perpendicolare al piano, " Disse Zhu.
"Applicando una tensione positiva da un lato e una tensione negativa dall'altro, si apre una banda proibita nel grafene a doppio strato, che normalmente non ha, " Li spiegò. "Nel mezzo, tra le due sponde, lasciamo un gap fisico di circa 70 nanometri."
Questa è una micrografia elettronica a scansione di un dispositivo utilizzato in questo esperimento. Sottili fogli di grafene e nitruro di boro esagonale sono impilati e modellati mediante litografia a fascio di elettroni per creare questo dispositivo. Lo strato viola è il foglio di grafene a doppio strato. La coppia inferiore di porte divise (quadrati scuri) è realizzata in grafene multistrato. La coppia superiore di porte divise (lingotti d'oro) è fatta d'oro. I fili unidimensionali vivono nello spazio creato dalle porte divise. Credito:Zhu, Penn State
All'interno di questo vuoto vivono stati metallici unidimensionali, o fili, che sono autostrade colorate per gli elettroni. Le auto rosse viaggiano in una direzione e le auto blu nella direzione opposta. In teoria, gli elettroni colorati potrebbero viaggiare senza ostacoli lungo i fili per una lunga distanza con pochissima resistenza. Una resistenza inferiore significa che il consumo di energia è inferiore nei dispositivi elettronici e viene generato meno calore. Sia il consumo energetico che la gestione termica sono sfide negli attuali dispositivi miniaturizzati.
"I nostri esperimenti mostrano che i fili metallici possono essere creati, " ha detto Li. "Anche se siamo ancora molto lontani dalle applicazioni".
Zhu ha aggiunto, "È abbastanza notevole che tali stati possano essere creati all'interno di un foglio isolante di grafene a doppio strato, usando solo poche porte. Non sono ancora privi di resistenza, e stiamo facendo più esperimenti per capire da dove potrebbe venire la resistenza. Stiamo anche cercando di costruire valvole che controllino il flusso di elettroni in base al colore degli elettroni. Questo è un nuovo concetto di elettronica chiamato valleytronics."
Li ha lavorato a stretto contatto con lo staff tecnico dell'impianto di nanofabbricazione di Penn State per trasformare il quadro teorico in un dispositivo funzionante.
"L'allineamento dei cancelli superiore e inferiore è stato cruciale e non una sfida banale, " ha detto Chad Eichfeld, ingegnere nanolitografia. "Le funzionalità di litografia a fascio di elettroni all'avanguardia presso il Penn State Nanofabrication Laboratory hanno permesso a Jing di creare questo nuovo dispositivo con caratteristiche su scala nanometrica".
