Nel tentativo di trovare nuovi modi per estendere l'elettronica oltre l'uso del silicio, i fisici stanno sperimentando altre proprietà degli elettroni, oltre carica. Nel lavoro pubblicato oggi (7 dicembre) sulla rivista Scienza , un team guidato dal professore di fisica della Penn State Jun Zhu descrive un modo per manipolare gli elettroni in base alla loro energia in relazione al momento, chiamato "grado di libertà della valle".

"Immagina di essere in un mondo in cui gli elettroni sono colorati, rossi o blu, "Zhu ha detto, "e anche le strade su cui viaggiano gli elettroni sono colorate di rosso o blu. Gli elettroni possono viaggiare solo su strade dello stesso colore, così che un elettrone blu dovrebbe trasformarsi in un elettrone rosso per viaggiare sulla strada rossa."

Due anni fa, Il team di Zhu ha dimostrato di essere in grado di costruire codici a colori, strade a doppio senso in un materiale chiamato grafene a doppio strato. A causa della loro codifica a colori, queste strade sono topologiche. Nello studio attuale, i ricercatori hanno realizzato un incrocio a quattro vie in cui la codifica a colori delle strade viene cambiata dall'altra parte. Perciò, hai una situazione in cui un'auto blu che viaggia in direzione nord arriva a questo incrocio e scopre che dall'altra parte dell'incrocio le strade in direzione nord sono colorate di rosso. Se l'elettrone non può cambiare colore, è vietato proseguire il viaggio.

Queste strade sono in realtà guide d'onda elettroniche create da porte definite con estrema precisione utilizzando una litografia a fascio di elettroni all'avanguardia. I colori sono in realtà l'indice di valle delle auto, e la codifica a colori delle strade è controllata dalla topologia delle guide d'onda, analoghe alle regole di guida a sinistra e a destra dei diversi paesi. Cambiare il colore delle auto richiede "scattering inter-valle, " che è ridotto al minimo nell'esperimento per consentire il funzionamento del controllo del traffico.

"Quello che abbiamo ottenuto qui è una valvola a valle topologica, che utilizza un nuovo meccanismo per controllare il flusso di elettroni, " Zhu ha detto. "Questo fa parte di un campo nascente dell'elettronica chiamato valleytronics. Nel nostro esperimento, il controllo della topologia, il blocco degli elettroni a valle del momento, è ciò che l'ha fatto funzionare."

Nello studio, i ricercatori hanno chiesto dove andrebbe la metaforica auto blu se non potesse viaggiare in avanti?

"Dovrà girare a sinistra o a destra, " ha detto l'autore principale Jing Li, L'ex studente di dottorato di Zhu, ora borsista post-dottorato del regista presso il Los Alamos National Lab.

"Abbiamo altri modi per controllare il traffico in svolta, spostando la corsia in modo incrementale più vicino a una svolta a destra o a sinistra, la percentuale di elettroni/auto che girano a destra o a sinistra può essere facilmente regolata per essere del 60 percento a senso unico, 40 per cento l'altro, o qualsiasi altra combinazione di percentuali."

Questa partizione controllata è chiamata "sdoppiatore di raggio, " che è comune per la luce ma non facilmente realizzabile con gli elettroni. Zhu e Li si sono detti entusiasti di questo controllo che hanno ottenuto per le loro strade codificate a colori, in quanto consente esperimenti più avanzati lungo la strada.

"La creazione del dispositivo richiede molti passaggi e una litografia e-beam abbastanza complicata, " Li ha detto. "Per fortuna, La struttura di nanofabbricazione all'avanguardia di Penn State e un team di personale di supporto professionale ci hanno permesso di fare tutto questo".

La prossima sfida per il team di Zhu sarà provare a costruire i propri dispositivi in ​​modo che funzionino a temperatura ambiente anziché alle temperature molto fredde di cui hanno attualmente bisogno. è fattibile, Zhu crede, ma impegnativo.

"L'approccio che abbiamo adottato per rendere questo dispositivo è scalabile, " Zhu ha detto. "Se il grafene a doppio strato di grande area e il nitruro di boro esagonale diventano disponibili, possiamo potenzialmente creare una città di strade topologiche e di trasportare gli elettroni verso i luoghi in cui devono andare, tutto senza resistenza. Sarebbe davvero figo."