En muchos materiales bidimensionales (2-D), los electrones no solo poseen carga y espín, pero exhiben además una característica cuántica inusual. Los electrones que residen en muchos materiales 2-D pueden vivir en mínimos de energía bien separados, y la "dirección" que describe a qué mínimos pertenecen estos electrones se conoce como el "valle". El uso de esta "dirección de valle" para codificar y procesar información forma el núcleo de un nuevo y vibrante campo de investigación conocido como "Valleytronics".

A pesar de la gran anticipación de Valleytronics como candidato para la tecnología 'más allá de CMOS' y para continuar el legado de la ley de Moore, su progreso se ve seriamente obstaculizado por la falta de diseños prácticos para una unidad de procesamiento de información basada en Valleytronic. Un desafío importante en Valleytronics es la construcción de un "filtro de valle" que puede producir corriente eléctrica compuesta predominantemente por electrones de un solo valle específico. Sirve como un bloque de construcción fundamental en Valleytronics.

Aprovechando las inusuales propiedades eléctricas de los materiales bidimensionales, como el fósforo negro de pocas capas y las películas delgadas semimetálicas de Weyl / Dirac topológicas, investigadores de la Universidad de Tecnología y Diseño de Singapur (SUTD) diseñaron un filtro de valle totalmente controlado eléctricamente y demostró un diseño de trabajo concreto de una puerta lógica valleytronic capaz de realizar el conjunto completo de lógicas booleanas de dos entradas.

"Un hallazgo particularmente notable es un enfoque previamente inexplorado para lograr un cálculo lógicamente reversible mediante el almacenamiento de información en el estado del valle del electrón, ", dijo el primer autor Dr. Yee Sin Ang de SUTD.

Las computadoras digitales convencionales procesan la información de una manera lógicamente irreversible. Esto conduce a un problema lógico serio:al recibir una salida computacional, un usuario final no puede identificar inequívocamente la información de entrada original que produce esta salida.

Hacer que la computación digital sea lógicamente reversible no solo es interesante en términos de ciencia de la información fundamental, pero también tiene amplias aplicaciones en áreas como la criptografía, procesamiento de señales e imágenes, computación cuántica, y, en última instancia, se requiere para mejorar la eficiencia energética de las computadoras digitales más allá del cuello de botella termodinámico también conocido como límite de Landauer. Debido a su inmenso potencial, Se han dedicado enormes esfuerzos de investigación a la búsqueda de una computadora práctica reversible desde la década de 1970.

La forma tradicional de hacer una computadora lógicamente reversible se basa en gran medida en circuitos complejos que inevitablemente generan grandes cantidades de bits innecesarios. Estos métodos complejos y derrochadores han impedido que la informática reversible gane intereses industriales y comerciales generalizados.

La novedad clave de la puerta lógica reversible basada en valleytronic propuesta por los investigadores de SUTD es que el dispositivo almacena bits adicionales de información de entrada en el estado de valle de la salida computacional para lograr la reversibilidad lógica. Este enfoque Valleytronic evita la necesidad de circuitos complejos y reduce significativamente la generación de bits innecesarios. Esta arquitectura simple también es más compatible con las crecientes demandas industriales y comerciales de dispositivos inteligentes compactos con tamaños físicos cada vez más reducidos.

Coautor e investigador principal de esta investigación, Profesor de SUTD Ricky Ang, dijo:"La unión de Valleytronics, el procesamiento de información digital y la computación reversible pueden proporcionar un nuevo paradigma hacia el futuro de una computadora que, en última instancia, ahorre energía con funcionalidades novedosas ".