En esta imagen de nanoscopía infrarroja de campo cercano de grafeno bicapa obtenida en la fuente de luz avanzada, Las paredes de dominio se revelan mediante líneas brillantes que surgen debido a las estructuras electrónicas de las paredes y las respuestas IR.
A la lista de aplicaciones potenciales del grafeno, un semiconductor bidimensional de carbono puro que es más fuerte y mucho más rápido que el silicio, ahora podemos agregar Valleytronics, la codificación de datos en el movimiento ondulatorio de los electrones a medida que atraviesan un conductor. Los investigadores de Berkeley Lab han descubierto canales conductores de electrones unidimensionales protegidos topológicamente en las paredes del dominio del grafeno bicapa. Estos canales conductores están "polarizados en valle, "lo que significa que pueden servir como filtros para la polarización del valle de electrones en dispositivos futuros como las computadoras cuánticas.
"Combinando microscopía infrarroja de campo cercano a escala nanométrica y mediciones de transporte eléctrico a baja temperatura, hemos registrado las primeras observaciones experimentales de canales conductores de electrones balísticos 1D en las paredes del dominio de grafeno bicapa, "dice Feng Wang, un físico de materia condensada de la División de Ciencias de los Materiales de Berkeley Lab, quien dirigió este trabajo. "Estos canales conductores polarizados en valle 1D presentaban una longitud balística de aproximadamente 400 nanómetros a 4 kelvin. Su existencia abre oportunidades para explorar fases topológicas únicas y la física del valle en el grafeno".
Wang, quien también tiene una cita con el Departamento de Física de Berkeley de la Universidad de California (UC), es el autor correspondiente de un artículo que describe esta investigación en la revista Naturaleza . Los autores principales del artículo son Long Ju y Zhiwen Shi, miembros del grupo de investigación de Wang.
Valleytronics está generando mucho entusiasmo en la industria de alta tecnología como una vía potencial hacia la computación cuántica. Como la espintrónica, Valleytronics ofrece una tremenda ventaja en las velocidades de procesamiento de datos sobre la carga eléctrica utilizada en la electrónica clásica.
(Desde la izquierda) Long Ju, Zhiwen Shi y Feng Wang utilizaron nanoscopia IR de campo cercano para descubrir canales conductores de electrones 1D topológicamente protegidos en las paredes del dominio del grafeno bicapa. Crédito:Roy Kaltschmidt
"En Valleytronics, los electrones se mueven a través de la red de un semiconductor 2D como una onda con dos valles de energía, cada valle se caracteriza por un momento y un número de valle cuántico distintos, "Dice Wang." Este número de valle cuántico se puede utilizar para codificar información cuando los electrones están en un valle de energía mínima ".
Un trabajo teórico reciente sugirió que las paredes de dominio entre el grafeno bicapa apilado AB y BA podrían proporcionar un lugar atractivo para realizar canales conductores de electrones unidimensionales para los Valleytronics porque la suavidad de las paredes del dominio preserva los valles de electrones. a diferencia de los defectos atómicos en los bordes del grafeno que dan como resultado una mezcla de valle. Hasta ahora, sin embargo, no ha habido evidencia experimental de estos canales.
Trabajando en Advanced Light Source (ALS) de Berkeley Lab, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, Wang, Ju Shi y sus colegas utilizaron haces de luz infrarroja muy enfocados para obtener imágenes in situ de paredes de dominio de apilamiento de capas de grafeno bicapa en sustratos de dispositivos. Los dispositivos de efecto de campo fabricados sobre estas paredes de dominio revelaron los canales conductores 1D.
En el trabajo de imágenes de grafeno bicapa de Feng Wang y su grupo, La luz IR (amarilla) se enfoca en el vértice de una punta de AFM recubierta de metal y se recolecta y mide la radiación infrarroja retrodispersada.
"Las mediciones de infrarrojos se llevaron a cabo en la línea de luz 5.4 de ALS, "dice Shi." Las capacidades de infrarrojos de campo cercano de esta línea de luz permiten la espectroscopia óptica con resoluciones espaciales que están mucho más allá del límite de difracción, permitiéndonos obtener imágenes de las paredes de dominio de ancho nanométrico en grafeno bicapa ".
Hasta la fecha, La mayoría de las investigaciones de Valleytronics se han centrado en los semiconductores 2D conocidos como materiales MX2, que constan de una sola capa de átomos de metales de transición, como molibdeno o tungsteno, intercalado entre dos capas de átomos de calcógeno, como el azufre. Los resultados de este estudio demuestran que las fases topológicas protegidas también se pueden realizar en grafeno bicapa, que es un semiconductor sintonizable, haciendo que las láminas de carbono 2D sean útiles para aplicaciones Valleytronic.
"Nuestro siguiente paso es aumentar la longitud balística de estos canales 1D para poder utilizarlos como filtros de valle de electrones, así como para otras manipulaciones de valles de electrones en grafeno, "Dice Wang.
