Valleytronics est un domaine émergent dans lequel les vallées - les minima locaux dans la structure des bandes d'énergie des solides - sont utilisées pour coder, traiter, et stocker des informations quantiques. Bien que le graphène ait été considéré comme inapproprié pour la valleytronics en raison de sa structure symétrique, chercheurs de l'Institut indien de technologie de Bombay, Inde, ont récemment montré que ce n'était pas le cas. Leurs découvertes pourraient ouvrir la voie à des ordinateurs quantiques de petite taille pouvant fonctionner à température ambiante.

Du côté du consommateur, il est assez facile de remarquer les pas de géant que le domaine de l'électronique a réalisés au cours des dernières décennies; avec des gadgets portables, Villes intelligentes, voitures autonomes, missions spatiales améliorées, robots, holographie, et supercalculateurs, les possibilités d'avancement technologique semblent infinies. Cependant, à l'insu de la plupart des gens, cette tendance accélérée du progrès technologique alimentée par l'électronique s'arrête rapidement alors que les composants électroniques atteignent leurs limites pratiques. Si nous voulons continuer à améliorer notre puissance et notre capacité de calcul, nous devrons trouver de nouvelles façons de stocker et de traiter les données au-delà du simple flux et charge d'électrons, c'est ainsi que fonctionne l'électronique moderne.

Ainsi, les ordinateurs quantiques sont récemment devenus un sujet brûlant. En codant l'information dans les phénomènes quantiques, les ordinateurs quantiques transcendent la notion binaire selon laquelle chaque bit est soit "0" soit "1". Au lieu, les bits quantiques existent sous forme de superpositions de "0" et "1" et peuvent donc prendre des valeurs intermédiaires. En exploitant les superpositions grâce à des algorithmes soigneusement conçus, les ordinateurs quantiques pourraient théoriquement surpasser les ordinateurs conventionnels de plusieurs ordres de grandeur en termes de vitesse. Malheureusement, il s'est avéré difficile de trouver des phénomènes quantiques appropriés pour coder des informations à température ambiante. Ordinateurs existants, tels que ceux appartenant à Google, IBM, et Microsoft, doivent être maintenus à des températures ultra basses inférieures à –196,1 degrés Celsius, ce qui les rend coûteux et peu pratiques à exploiter.

Heureusement, il existe une approche très prometteuse pour le codage de l'information quantique qui est activement explorée :la valleytronics. En dehors de leur charge, les électrons ont un autre paramètre qui peut être manipulé, à savoir leur "pseudospin de vallée, " qui est la vallée occupée par l'électron. Ces vallées sont des minima locaux dans les bandes d'énergie des solides, qui dictent l'état énergétique et l'emplacement des électrons. Vallées, avec leur état d'occupation régi par la mécanique quantique, peut être utilisé pour encoder, traiter, et stocker les informations quantiques à des températures moins restrictives.

Récemment, une équipe de scientifiques de l'Indian Institute of Technology (IIT) de Bombay, Inde, et Max-Born Institut, Allemagne, réalisé une percée dans le domaine de valleytronics. Dans leur dernière étude, Publié dans Optique , ils présentent un moyen d'effectuer des opérations de vallée en monocouche ou en graphène vierge, ce qui était supposé impossible par d'autres chercheurs dans le domaine. En tant qu'enfant d'affiche des nanomatériaux de carbone, Le graphène est composé d'atomes de carbone dans un motif hexagonal et possède une pléthore de propriétés favorables. Les couches atomiquement minces de graphène ont des vallées d'électrons mais, en raison de la symétrie inhérente au matériau, ils ont été jugés inutiles pour les opérations de la vallée.

Malgré les probabilités, l'équipe a mis au point une stratégie pour briser la symétrie de la vallée du graphène en utilisant la lumière. Professeur agrégé Gopal Dixit de l'IIT Bombay, qui a dirigé l'étude, explique : « En adaptant la polarisation de deux faisceaux de lumière selon le réseau triangulaire du graphène, nous avons trouvé possible de briser la symétrie entre deux atomes de carbone voisins et d'exploiter la structure des bandes électroniques dans les régions proches des vallées, induisant la polarisation de la vallée." En d'autres termes, cela permet d'utiliser les vallées du graphène pour « écrire » efficacement des informations. Le Dr Dixit souligne également que les éclairs de lumière peuvent faire bouger les électrons plusieurs centaines de milliards de fois par seconde. En théorie, cela signifie que valleytronics à des taux de pétahertz est possible, qui dépasse les vitesses de calcul modernes d'un million de fois.

L'un des aspects les plus attrayants de la conduite d'opérations de vallée dans le graphène est qu'il est possible de le faire à température ambiante. "Notre travail pourrait ouvrir la porte à la miniature, des ordinateurs quantiques à usage général pouvant être utilisés par des personnes ordinaires, un peu comme les ordinateurs portables, " remarque le Dr Dixit. Avec les vitesses de calcul plus élevées fournies par les ordinateurs quantiques, il sera beaucoup plus rapide de faire des simulations moléculaires, analyse de données volumineuses, l'apprentissage en profondeur, et d'autres tâches à forte intensité de calcul. À son tour, cela accélérera le développement de nouveaux médicaments et l'élucidation des structures moléculaires, qui aidera à la recherche de remèdes à des maladies complexes, y compris COVID-19.