В атомном масштабе материя ведет себя как частица и волна. Таким образом, электроны имеют связанную длину волны, которая обычно может иметь много разных значений.
Однако в кристаллических системах могут быть предпочтительны определенные длины волн. У графена, например, есть две предпочтительные длины волны, известные как K и K ‘(простое число K). Это означает, что два электрона в графене могут иметь одинаковую энергию, но разные длины волн — или, говоря другими словами, разные «долины».
Электроника использует заряд для представления информации, но когда заряд проходит через материал, часть энергии рассеивается в виде тепла, что является проблемой для всех электронных устройств, используемых сегодня. Однако, если одно и то же количество электронов в канале течет в противоположных направлениях, общий заряд не передается и тепло не рассеивается — но в обычном электронном устройстве это будет означать, что информация также не передавалась. Устройство Valleytronics, передающее информацию с использованием чистого тока впадины, где электроны с одной и той же долиной текут в одном направлении, не будет иметь этого ограничения и предлагает путь к реализации устройств с чрезвычайно низким энергопотреблением.Экспериментальные исследования течения долины начались совсем недавно.
Контроль тока долины в монослое графена был продемонстрирован, но только при очень специфических условиях и с ограниченным контролем преобразования тока заряда в ток долины. Чтобы ток впадины был жизнеспособной альтернативой современной электронике на основе зарядного тока, необходимо контролировать преобразование между зарядным током и током впадины в широком диапазоне при высоких температурах.Теперь исследовательская группа профессора Сейго Таруча на факультете прикладной физики Высшей школы инженерии создала электрически управляемое устройство тока впадины, которое преобразует обычный электрический ток в ток впадины, пропускает его по длинному (3,5 микрон) каналу, а затем преобразует обратный ток впадины в ток заряда, который может быть обнаружен измеряемым напряжением.
Исследовательская группа использовала двухслойный графен, расположенный между двумя слоями изолятора, при этом все устройство было зажато между двумя проводящими слоями или «воротами», что позволяло контролировать впадину.Группа передавала ток долины на достаточно большое расстояние, чтобы исключить другие возможные конкурирующие объяснения своих результатов, и смогла контролировать эффективность преобразования тока долины в широком диапазоне. Устройство также работало при температурах, намного превышающих ожидаемые. «Мы обычно измеряем наши устройства при температурах ниже точки разжижения гелия (-268,95 C, всего 4,2 K выше абсолютного нуля), чтобы обнаружить этот тип явлений», — говорит доктор Ямамото, член исследовательской группы. «Мы были удивлены, что сигнал может быть обнаружен даже при -203,15 C (70 K).
В будущем, возможно, появится возможность разработать устройства, которые могут работать при комнатной температуре».«Ток долины, в отличие от тока заряда, не является диссипативным.
Это означает, что при передаче информации энергия не теряется», — говорит профессор Таруча. Он продолжает: «Поскольку энергопотребление становится основной проблемой в современной электронике, устройства на основе тока долины открывают новое направление для будущих вычислительных устройств со сверхнизким энергопотреблением».