Fils unidimensionnels créés dans du graphène bicouche bloqués par deux paires de grilles divisées au-dessus et au-dessous de la feuille. Les fils se déplaçant dans des directions opposées transportent des électrons de différents états de vallée étiquetés K et K' sur la figure. Crédit :Zhu, État de Pennsylvanie
Un appareil en graphène bicouche, un arrangement hexagonal atomiquement mince d'atomes de carbone, fournit une preuve expérimentale de la capacité de contrôler la quantité de mouvement des électrons et offre une voie à l'électronique qui pourrait nécessiter moins d'énergie et dégager moins de chaleur que les transistors à base de silicium standard. C'est un pas en avant dans un nouveau domaine de la physique appelé valleytronics.
« Les dispositifs à transistors actuels à base de silicium reposent sur la charge d'électrons pour allumer ou éteindre l'appareil, mais de nombreux laboratoires étudient de nouvelles façons de manipuler les électrons en fonction d'autres variables, appelés degrés de liberté, " a déclaré Jun Zhu, professeur agrégé de physique, État de Penn, qui a dirigé la recherche. "La charge est un degré de liberté. Le spin électronique en est un autre, et la capacité de construire des transistors basés sur le spin, appelé spintronique, est encore en phase de développement. Un troisième degré de liberté électronique est l'état de vallée des électrons, qui est basé sur leur énergie par rapport à leur élan."
Considérez les électrons comme des voitures et les états de la vallée comme des couleurs bleues et rouges, Zhu a suggéré, juste comme un moyen de les différencier. À l'intérieur d'une feuille de graphène bicouche, les électrons occuperont normalement les états de vallée rouge et bleu et se déplaceront dans toutes les directions. L'appareil de son doctorat. étudiant, Jing Li, a travaillé peut faire aller les voitures rouges dans une direction et les voitures bleues dans la direction opposée.
"Le système que Jing a créé met une paire de portes au-dessus et au-dessous d'une feuille de graphène bicouche. Ensuite, il ajoute un champ électrique perpendiculaire au plan, " dit Zhu.
"En appliquant une tension positive d'un côté et une tension négative de l'autre, une bande interdite s'ouvre dans le graphène bicouche, qu'il n'a pas normalement, " expliqua Li. " Au milieu, entre les deux côtés, nous laissons un espace physique d'environ 70 nanomètres."
Il s'agit d'une micrographie électronique scannée d'un appareil utilisé dans cette expérience. De fines feuilles de graphène et de nitrure de bore hexagonal sont empilées et façonnées par lithographie par faisceau d'électrons pour créer ce dispositif. La couche violette est la feuille de graphène bicouche. La paire inférieure de grilles divisées (carrés noirs) est constituée de graphène multicouche. La paire supérieure de portes fendues (barres d'or) est en or. Les fils unidimensionnels vivent dans l'espace créé par les portes divisées. Crédit :Zhu, État de Pennsylvanie
A l'intérieur de cet espace vivent des états métalliques unidimensionnels, ou des fils, qui sont des autoroutes codées par couleur pour les électrons. Les voitures rouges roulent dans un sens et les voitures bleues dans l'autre sens. En théorie, les électrons colorés pouvaient voyager sans entrave le long des fils sur une longue distance avec très peu de résistance. Une résistance plus petite signifie que la consommation d'énergie est plus faible dans les appareils électroniques et moins de chaleur est générée. La consommation d'énergie et la gestion thermique sont des défis dans les appareils miniaturisés actuels.
"Nos expériences montrent que les fils métalliques peuvent être créés, " a dit Li. " Bien que nous soyons encore loin des candidatures. "
Zhu a ajouté, "Il est assez remarquable que de tels états puissent être créés à l'intérieur d'une feuille de graphène bicouche isolante, en utilisant seulement quelques portes. Ils ne sont pas encore sans résistance, et nous faisons plus d'expériences pour comprendre d'où pourrait provenir la résistance. Nous essayons également de construire des valves qui contrôlent le flux d'électrons en fonction de la couleur des électrons. C'est un nouveau concept d'électronique appelé valleytronics."
Li a travaillé en étroite collaboration avec le personnel technique de l'installation de nanofabrication de Penn State pour transformer le cadre théorique en un dispositif fonctionnel.
"L'alignement des portes du haut et du bas était crucial et pas un défi anodin, " a déclaré Chad Eichfeld, ingénieur en nanolithographie. « Les capacités de pointe de lithographie par faisceau d'électrons du laboratoire de nanofabrication de Penn State ont permis à Jing de créer ce nouveau dispositif doté de fonctionnalités à l'échelle nanométrique. »
