Топологический контроль электронов делает возможными будущие электронные дороги

745 ]

С целью найти новые способы расширить электронику за пределы использования кремния, физики проверяют другие свойства электронов, помимо заряда. В исследовании, опубликованном 7 декабря th в журнале Science команда под руководством профессора физики из Пенсильвании Джун Чжу иллюстрирует способ управления электронами на основе их энергии по отношению к импульсу Называемый «долиной степени свободы».

Топологический контроль электронов (изображенных в виде синих и красных машин) в двухслойном графене. (Фото предоставлено: Seana Wood / Penn State MRI)

«Представьте, что вы находитесь в мире, где электроны окрашены в красный или синий цвет», Чжу сказал, «и дороги, по которым движутся электроны, также окрашены в красный или синий цвет. Электронам разрешено путешествовать только по дорогам одного цвета, поэтому синий электрон должен превращаться в красный электрон, чтобы путешествовать по красной дороге ».

Два года назад команда Чжу продемонстрировала, что они могут строить двусторонние дороги с цветовой кодировкой из материала, известного как двухслойный графен. В результате их цветовой кодировки эти дороги являются топологическими. В настоящем исследовании ученые сделали перекресток с четырьмя путями, где цветовое кодирование дорог меняется на другую сторону. Таким образом, у вас возникает ситуация, когда синий автомобиль, едущий на север, подходит к этому перекрестку и узнает, что на другой стороне перекрестка дороги северного направления окрашены в красный цвет. Если электрон не может изменить цвет, ему запрещено двигаться дальше.

Эти дороги, по сути, представляют собой электронные волноводы, образованные воротами, которые определены с предельной точностью с использованием современной электронно-лучевой литографии. Цвета по существу являются индексом долины автомобилей, а цветовая кодировка дорог регулируется топологией волноводов, аналогично правилам правого и левого вождения в разных странах. Изменение цвета автомобилей требует «рассеяния между долинами», которое уменьшается в эксперименте, чтобы обеспечить управление движением.

То, чего мы добились здесь, – это топологический впадинный клапан, в котором используется новый механизм управления потоком электронов . Это часть начинающей области электроники под названием Valleytronics. В нашем эксперименте управление топологией – фиксация электронов долиной-импульсом – вот что заставило ее работать.

Джун Чжу, профессор физики, Penn State

В ходе исследования ученые спросили, куда пойдет фигуративная синяя машина, если она не сможет двигаться дальше?

«Он должен будет повернуть либо влево, либо вправо», сказал ведущий автор Цзин Ли, бывший аспирант Чжу, в настоящее время докторский научный сотрудник Лос-Аламосской национальной лаборатории.

«У нас есть дополнительные способы управления разворотным движением – путем постепенного перемещения полосы движения ближе к правому или левому повороту, процент электронов / автомобилей, поворачивающих вправо или влево, можно плавно настроить на 60 процентов в одну сторону 40 процентов – другое или любое другое сочетание процентов ».

Это контролируемое разделение известно как «светоделитель», что характерно для света, но его нелегко реализовать с помощью электронов. Чжу и Ли сказали, что они рады этому контролю, который они осуществили для своих дорог с цветовой кодировкой, поскольку он позволяет проводить более прогрессивные эксперименты в будущем.

«Создание устройства требует много шагов и довольно сложной электронной лучевой литографии», сказал Ли. «К счастью, современное производство нанотехнологий в штате Пенсильвания, а также команда профессиональных вспомогательных сотрудников позволили нам сделать все это».

Следующая задача для команды Чжу будет заключаться в том, чтобы попытаться сконструировать их устройства для работы при комнатной температуре, а не при очень низких температурах, в которых они в настоящее время нуждаются. Это достижимо, считает Жу, но сложно.

Подход, который мы использовали для создания этого устройства, является масштабируемым . Если появятся двухслойный графен и гексагональный нитрид бора большой площади, мы можем потенциально создать город топологических дорог и доставить электроны в места, куда им нужно идти, и все это без сопротивления. Это было бы очень круто.

Джун Чжу, профессор физики, Penn State

Помимо ведущего автора Ли и соответствующего автора Чжу, другими авторами научной статьи под названием «Клапан долины и электронный разделитель лучей» являются нынешние и бывшие аспиранты Руи-Син Чжан, Чжэньси Инь, Цзянсяо Чжан и профессор Чаосин. Лю, весь штат Пенсильвания; и Кэндзи Ватанабе и Такаши Танигучи из Национального института материаловедения, Цукуба, Япония.

Национальный научный фонд и Бюро военно-морских исследований в США, а также Инициатива по элементарной стратегии в Японии поддержали это исследование. Цзюнь Чжу является членом Государственного центра двумерных и многослойных материалов штата Пенсильвания.

Клапан долинного и электронно-лучевого делителя – профессор физики, штат Пенсильвания, Джун Чжу объясняет свое исследование, которое создает волноводы для электронов в двумерном материале графена. (Фото: Seana Wood / Penn State MRI)

Source link