Dans le monde de la physique des semi-conducteurs, l'objectif est de concevoir des moyens plus efficaces et microscopiques de contrôler et de garder une trace de 0 et 1, les codes binaires sur lesquels sont basées toutes les fonctions de stockage d'informations et de logique dans les ordinateurs.

Un nouveau domaine de la physique à la recherche de telles avancées s'appelle valleytronics, qui exploite le "degré de liberté de vallée" de l'électron pour le stockage de données et les applications logiques. Tout simplement, les vallées sont des maxima et des minima d'énergies électroniques dans un solide cristallin. Une méthode pour contrôler les électrons dans différentes vallées pourrait produire de nouvelles, puces informatiques super efficaces.

Une équipe de l'Université de Buffalo, dirigé par Hao Zeng, Doctorat, professeur au Département de physique, travaillé avec des scientifiques du monde entier pour découvrir une nouvelle façon de diviser les niveaux d'énergie entre les vallées dans un semi-conducteur bidimensionnel.

Le travail est décrit dans une étude publiée en ligne aujourd'hui (1er mai, 2017) dans la revue Nature Nanotechnologie .

La clé de la découverte de Zeng est l'utilisation d'un composé ferromagnétique pour séparer les vallées et les maintenir à différents niveaux d'énergie. Cela conduit à une augmentation de la séparation des énergies de vallée d'un facteur 10 de plus que celle obtenue en appliquant un champ magnétique externe.

"Normalement, il y a deux vallées dans ces semi-conducteurs atomiquement minces avec exactement la même énergie. Celles-ci sont appelées" niveaux d'énergie dégénérée "en termes de mécanique quantique. Cela limite notre capacité à contrôler les vallées individuelles. Un champ magnétique externe peut être utilisé pour briser cette dégénérescence . Toutefois, la division est si petite qu'il faudrait se rendre aux laboratoires nationaux de champ magnétique élevé pour mesurer une différence d'énergie importante. Notre nouvelle approche rend les vallées plus accessibles et plus faciles à contrôler, et cela pourrait permettre aux vallées d'être utiles pour le stockage et le traitement futurs de l'information, " dit Zeng.

La façon la plus simple de comprendre comment les vallées pourraient être utilisées dans le traitement des données peut être de penser à deux vallées côte à côte. Lorsqu'une vallée est occupée par des électrons, l'interrupteur est "on". Quand l'autre vallée est occupée, l'interrupteur est "off". Le travail de Zeng montre que les vallées peuvent être positionnées de manière à ce qu'un appareil puisse être allumé et éteint, " avec une petite quantité d'électricité.

Ingrédients microscopiques

Zeng et ses collègues ont créé une hétérostructure à deux couches, avec un film de 10 nanomètres d'épaisseur de EuS magnétique (sulfure d'europium) sur le fond et une seule couche (moins de 1 nanomètre) de dichalcogénure de métal de transition WSe2 (diséléniure de tungstène) sur le dessus. Le champ magnétique de la couche inférieure a forcé la séparation énergétique des vallées dans le WSe2.

Les tentatives précédentes pour séparer les vallées impliquaient l'application de très grands champs magnétiques de l'extérieur. On pense que l'expérience de Zeng est la première fois qu'un matériau ferromagnétique est utilisé en conjonction avec un matériau semi-conducteur atomiquement mince pour diviser ses niveaux d'énergie de vallée.

"Tant que nous avons le matériel magnétique là-bas, les vallées resteront séparées, " at-il dit. " Cela le rend précieux pour les applications de mémoire non volatile. "

Athos Pétrou, un professeur distingué de l'UB au département de physique, mesuré la différence d'énergie entre les vallées séparées en faisant rebondir la lumière sur le matériau et en mesurant l'énergie de la lumière réfléchie.

"Nous n'obtenons généralement ce type de résultats qu'une fois tous les cinq ou dix ans, " dit Pérou.

Extension de la loi de Moore

L'expérience a été menée à 7 degrés Kelvin (-447 Fahrenheit), donc toute utilisation quotidienne du processus est loin dans le futur. Cependant, prouver que c'est possible est une première étape.

"La raison pour laquelle les gens sont vraiment excités à ce sujet, est que la loi de Moore [qui dit que le nombre de transistors dans un circuit intégré double tous les deux ans] devrait bientôt prendre fin. Il ne fonctionne plus car il a atteint sa limite fondamentale, " dit Zeng.

« Les puces informatiques actuelles reposent sur le mouvement des charges électriques, et cela génère une énorme quantité de chaleur à mesure que les ordinateurs deviennent plus puissants. Notre travail a vraiment poussé valleytronics à franchir un pas de plus pour relever ce défi. »