Un'eterostruttura a due strati, con un film spesso 10 nanometri di EuS magnetico (solfuro di europio) sul fondo e un singolo strato (meno di 1 nanometro) del dichalcogenuro di metallo di transizione WSe2 (diseleniuro di tungsteno) sulla parte superiore. Il campo magnetico dello strato inferiore ha forzato la separazione energetica delle valli nel WSe2. Credito: Nanotecnologia della natura .
Nel mondo della fisica dei semiconduttori, l'obiettivo è ideare modi più efficienti e microscopici per controllare e tenere traccia di 0 e 1, i codici binari su cui si basano tutte le funzioni logiche e di memorizzazione delle informazioni nei computer.
Un nuovo campo della fisica alla ricerca di tali progressi si chiama Valleytronics, che sfrutta il "grado di libertà della valle" dell'elettrone per l'archiviazione dei dati e le applicazioni logiche. In poche parole, le valli sono massimi e minimi delle energie degli elettroni in un solido cristallino. Un metodo per controllare gli elettroni in diverse valli potrebbe produrre nuovi, chip per computer super efficienti.
Una squadra dell'Università di Buffalo, guidato da Hao Zeng, dottorato di ricerca, professore presso il Dipartimento di Fisica, ha lavorato con scienziati di tutto il mondo per scoprire un nuovo modo per dividere i livelli di energia tra le valli in un semiconduttore bidimensionale.
Il lavoro è descritto in uno studio pubblicato oggi online (1 maggio, 2017) sulla rivista Nanotecnologia della natura .
La chiave della scoperta di Zeng è l'uso di un composto ferromagnetico per separare le valli e mantenerle a diversi livelli di energia. Ciò porta ad un aumento della separazione delle energie di valle di un fattore 10 in più rispetto a quello ottenuto applicando un campo magnetico esterno.
"Normalmente ci sono due valli in questi semiconduttori atomicamente sottili con esattamente la stessa energia. Questi sono chiamati "livelli di energia degenerata" in termini di meccanica quantistica. Questo limita la nostra capacità di controllare singole valli. Un campo magnetico esterno può essere usato per rompere questa degenerazione . Però, la scissione è così piccola che dovresti andare ai National High Magnetic Field Laboratories per misurare una differenza di energia considerevole. Il nostro nuovo approccio rende le valli più accessibili e più facili da controllare, e questo potrebbe consentire alle valli di essere utili per l'archiviazione e l'elaborazione futura delle informazioni, " ha detto Zeng.
Il modo più semplice per capire come le valli potrebbero essere utilizzate nell'elaborazione dei dati potrebbe essere pensare a due valli affiancate. Quando una valle è occupata da elettroni, l'interruttore è "acceso". Quando l'altra valle è occupata, l'interruttore è "spento". Il lavoro di Zeng mostra che le valli possono essere posizionate in modo tale che un dispositivo possa essere "acceso" e "spento, " con una piccola quantità di elettricità.
Ingredienti microscopici
Zeng e i suoi colleghi hanno creato un'eterostruttura a due strati, con un film spesso 10 nanometri di EuS magnetico (solfuro di europio) sul fondo e un singolo strato (meno di 1 nanometro) del dichalcogenuro di metallo di transizione WSe2 (diseleniuro di tungsteno) sulla parte superiore. Il campo magnetico dello strato inferiore ha forzato la separazione energetica delle valli nel WSe2.
I precedenti tentativi di separare le valli prevedevano l'applicazione di campi magnetici molto grandi dall'esterno. Si ritiene che l'esperimento di Zeng sia la prima volta che un materiale ferromagnetico è stato utilizzato in combinazione con un materiale semiconduttore atomicamente sottile per dividere i suoi livelli di energia della valle.
"Finché abbiamo il materiale magnetico lì, le valli rimarranno in disparte, " ha detto. "Questo lo rende prezioso per le applicazioni di memoria non volatile".
Athos Petrou, un Distinguished Professor UB nel Dipartimento di Fisica, misurato la differenza di energia tra le valli separate facendo rimbalzare la luce sul materiale e misurando l'energia della luce riflessa.
"Di solito otteniamo questo tipo di risultati solo una volta ogni cinque o 10 anni, " disse Petrou.
Estendere la legge di Moore
L'esperimento è stato condotto a 7 gradi Kelvin (-447 Fahrenheit), quindi qualsiasi uso quotidiano del processo è lontano nel futuro. Però, dimostrarlo possibile è un primo passo.
"Il motivo per cui le persone sono davvero entusiaste di questo, è che la legge di Moore [che dice che il numero di transistor in un circuito integrato raddoppia ogni due anni] dovrebbe finire presto. Non funziona più perché ha toccato il suo limite fondamentale, " ha detto Zeng.
"Gli attuali chip per computer si basano sul movimento di cariche elettriche, e questo genera un'enorme quantità di calore man mano che i computer diventano più potenti. Il nostro lavoro ha davvero spinto Valleytronics a fare un passo avanti nel superare questa sfida".
