Dans de nombreux matériaux bidimensionnels (2D), les électrons possèdent non seulement une charge et un spin, mais présentent en outre une caractéristique quantique inhabituelle. Les électrons résidant dans de nombreux matériaux 2D peuvent vivre dans des minima d'énergie bien séparés, et l'« adresse » décrivant à quels minima ces électrons appartiennent est connue sous le nom de « vallée ». L'utilisation de cette « adresse de vallée » pour coder et traiter l'information constitue le cœur d'un nouveau domaine de recherche dynamique connu sous le nom de « valleytronique ».

Malgré une grande anticipation de valleytronics en tant que candidat pour la technologie « au-delà du CMOS » et pour poursuivre l'héritage de la loi de Moore, ses progrès sont gravement entravés par le manque de conceptions pratiques pour une unité de traitement de l'information basée sur valleytronic. Un défi majeur en valleytronics est la construction d'un "filtre de vallée" qui peut produire un courant électrique composé principalement d'électrons à partir d'une seule vallée spécifique. Il sert de bloc de construction fondamental dans valleytronics.

En exploitant les propriétés électriques inhabituelles des matériaux 2D tels que le phosphore noir à quelques couches et les films minces semi-métalliques topologiques Weyl/Dirac, des chercheurs de l'Université de technologie et de design de Singapour (SUTD) ont conçu un filtre vallée à commande entièrement électrique et a démontré une conception fonctionnelle concrète d'une porte logique valleytronic capable d'exécuter l'ensemble complet de logiques booléennes à deux entrées.

"Une découverte particulièrement remarquable est une approche inexplorée auparavant pour réaliser un calcul logiquement réversible en stockant des informations dans l'état de vallée de l'électron, " a déclaré le premier auteur, le Dr Yee Sin Ang de SUTD.

Les ordinateurs numériques conventionnels traitent l'information d'une manière logiquement irréversible. Cela conduit à un grave problème logique :lors de la réception d'une sortie de calcul, un utilisateur final ne peut pas identifier sans ambiguïté les informations d'entrée d'origine qui produisent cette sortie.

Rendre l'informatique numérique logiquement réversible n'est pas seulement intéressant en termes de sciences fondamentales de l'information, mais a également de larges applications dans des domaines tels que la cryptographie, traitement du signal et de l'image, l'informatique quantique, et est finalement nécessaire pour améliorer l'efficacité énergétique des ordinateurs numériques au-delà du goulot d'étranglement thermodynamique également connu sous le nom de limite de Landauer. En raison de son immense potentiel, d'énormes efforts de recherche ont été consacrés à la recherche d'un ordinateur réversible pratique depuis les années 1970.

La manière traditionnelle de fabriquer un ordinateur logiquement réversible repose fortement sur des circuits complexes qui génèrent inévitablement de grandes quantités de bits inutiles. Ces méthodes complexes et inutiles ont empêché l'informatique réversible de gagner des intérêts industriels et commerciaux étendus.

La principale nouveauté de la porte logique réversible basée sur valleytronic proposée par les chercheurs de SUTD est que le dispositif stocke des bits supplémentaires d'informations d'entrée dans l'état de vallée de la sortie de calcul pour obtenir une réversibilité logique. Cette approche valleytronic contourne le besoin de circuits complexes et réduit considérablement la génération de bits inutiles. Une architecture aussi simple est également plus compatible avec les demandes industrielles et commerciales sans cesse croissantes pour des appareils intelligents compacts avec des tailles physiques de plus en plus réduites.

Co-auteur et chercheur principal de cette recherche, SUTD Prof Ricky Ang, a déclaré:"L'union de valleytronics, le traitement de l'information numérique et l'informatique réversible peuvent fournir un nouveau paradigme vers l'avenir d'un ordinateur à haut rendement énergétique doté de nouvelles fonctionnalités. »