Ce schéma montre une monocouche TMDC couplée à un semi-conducteur ferromagnétique hôte, qui est une approche expérimentale développée par les scientifiques du Berkeley Lab qui pourrait conduire à des dispositifs valleytronic. La polarisation de la vallée peut être directement déterminée à partir de l'hélicité de l'électroluminescence émise, indiqué par la flèche orange, en raison des trous polarisés en spin injectés électriquement dans la monocouche TMDC, indiqué par la flèche bleue. La flèche noire représente la direction du champ magnétique appliqué. Crédit :Berkeley Lab
Les scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département de l'Énergie des États-Unis ont fait un grand pas vers l'application pratique de la "valleytronics, " qui est un nouveau type d'électronique qui pourrait conduire à des systèmes logiques informatiques et à des puces de stockage de données plus rapides et plus efficaces dans les appareils de nouvelle génération.
Tel que rapporté en ligne le 4 avril dans le journal Nature Nanotechnologie , les scientifiques ont démontré expérimentalement, pour la première fois, la capacité de générer et de contrôler électriquement des électrons de vallée dans un semi-conducteur bidimensionnel.
Les électrons de la vallée sont ainsi nommés parce qu'ils portent un « degré de liberté » de la vallée. Il s'agit d'une nouvelle façon d'exploiter les électrons pour le traitement de l'information, en plus d'utiliser les autres degrés de liberté d'un électron, qui sont le spin quantique dans les dispositifs spintroniques et la charge dans l'électronique conventionnelle.
Plus précisement, les vallées électroniques se réfèrent aux pics et aux vallées d'énergie dans les bandes électroniques. Un semi-conducteur bidimensionnel appelé dichalcogénure de métal de transition (TMDC) a deux vallées distinctes de spin et de quantité de mouvement opposés. À cause de ce, le matériau convient aux appareils valleytronic, dans lequel le traitement et le stockage de l'information pourraient être effectués en peuplant sélectivement une vallée ou une autre.
Cependant, le développement de dispositifs valleytronic nécessite le contrôle électrique de la population d'électrons valley, une étape qui s'est avérée très difficile à atteindre jusqu'à présent.
Maintenant, Les scientifiques du Berkeley Lab ont démontré expérimentalement la capacité de générer et de contrôler électriquement des électrons de vallée dans les TMDC. Il s'agit d'une avancée particulièrement importante car les TMDC sont considérés comme plus « prêts pour les appareils » que les autres semi-conducteurs qui présentent des propriétés valleytronic.
"C'est la première démonstration d'excitation électrique et de contrôle des électrons de la vallée, qui accélérera la prochaine génération d'électronique et de technologie de l'information, " dit Xiang Zhang, qui a dirigé cette étude et qui est le directeur de la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab.
Zhang est également titulaire de la chaire Ernest S. Kuh Endowed Chair à l'Université de Californie (UC) Berkeley et est membre du Kavli Energy NanoSciences Institute à Berkeley. Plusieurs autres scientifiques ont contribué à ce travail, y compris Yu Ye, Jun Xiao, Hailong Wang, Ziliang Ye, Hanyu Zhu, Mervin Zhao, Yuan Wang, Jianhua Zhao et Xiaobo Yin.
Leurs recherches pourraient conduire à un nouveau type d'électronique utilisant les trois degrés de liberté :charge, tournoyer, et vallée, qui ensemble pourraient coder un électron avec huit bits d'information au lieu de deux dans l'électronique d'aujourd'hui. Cela signifie que les futures puces informatiques pourraient traiter plus d'informations avec moins de puissance, permettant des technologies informatiques plus rapides et plus économes en énergie.
« Les appareils Valleytronic ont le potentiel de transformer les communications de données à haut débit et les appareils à faible consommation, " dit Ye, chercheur postdoctoral dans le groupe de Zhang et auteur principal de l'article.
Les scientifiques ont démontré leur approche en couplant un semi-conducteur ferromagnétique hôte avec une monocouche de TMDC. L'injection de spin électrique à partir du semi-conducteur ferromagnétique a localisé les porteurs de charge dans une vallée de quantité de mouvement dans la monocouche TMDC.
Surtout, les scientifiques ont pu exciter et confiner électriquement les porteurs de charge dans un seul des deux ensembles de vallées. Ceci a été réalisé en manipulant les polarisations de spin du porteur injecté, dans lequel le spin et la vallée sont verrouillés ensemble dans la monocouche TMDC.
Les deux ensembles de vallées émettent une lumière polarisée circulairement différente. Les scientifiques ont observé cette lumière polarisée circulairement, ce qui a confirmé qu'ils avaient réussi à induire et à contrôler électriquement des électrons de vallée dans le TMDC.
"Notre recherche a résolu deux défis principaux dans les dispositifs valleytronic. Le premier est de restreindre électriquement les électrons à une vallée de quantité de mouvement. Le second est de détecter le courant polarisé de vallée résultant par électroluminescence polarisée circulaire, " dit Ye. "Notre production électrique directe et le contrôle des porteurs de charge de vallée, en TMDC, ouvre de nouvelles dimensions en utilisant à la fois les degrés de liberté de rotation et de vallée pour l'électronique et l'informatique de nouvelle génération."
