El grafeno bicapa está encapsulado en la parte superior e inferior mediante nitruro de boro hexagonal (un aislante). Al aplicar un voltaje a las puertas superior e inferior, es posible controlar el estado del grafeno bicapa. Tener dos puertas permite el control independiente de la densidad de electrones y el campo eléctrico vertical. Un campo eléctrico vertical aplicado crea una diferencia de energía pequeña pero significativa entre las capas superior e inferior de grafeno. Esta diferencia de energía rompe la simetría del grafeno permitiendo el control del valle. Crédito:(c) 2015 Seigo Tarucha
Investigadores de la Universidad de Tokio han demostrado un dispositivo de corriente de valle controlable eléctricamente que puede allanar el camino hacia dispositivos "Valleytronics" de ultra baja potencia.
En la escala atómica, la materia se comporta como partícula y como onda. Electrones por lo tanto, tienen una longitud de onda asociada que normalmente puede tener muchos valores diferentes. Sin embargo, en sistemas cristalinos, pueden favorecerse determinadas longitudes de onda. Grafeno por ejemplo, tiene dos longitudes de onda favorecidas conocidas como K y K '(K prima). Esto significa que dos electrones en el grafeno pueden tener la misma energía pero diferentes longitudes de onda, o bien, para decirlo de otra manera, diferente "valle".
La electrónica usa el cargo para representar información, pero cuando la carga fluye a través de un material, algo de energía se disipa en forma de calor, un problema para todos los dispositivos electrónicos que se utilizan en la actualidad. Sin embargo, si la misma cantidad de electrones en un canal fluye en direcciones opuestas, no se transfiere carga neta y no se disipa calor, pero en un dispositivo electrónico normal esto significaría que tampoco se transmitió información. Un dispositivo Valleytronics que transmite información utilizando corriente de valle pura, donde los electrones con el mismo valle fluyen en una dirección, no tendría esta limitación, y ofrece una ruta para la realización de dispositivos de energía extremadamente baja.
Los estudios experimentales sobre la corriente del valle han comenzado recientemente. Se ha demostrado el control de la corriente del valle en una monocapa de grafeno, pero solo en condiciones muy específicas y con un control limitado de conversión de corriente de carga a corriente de valle. Para que la corriente de valle sea una alternativa viable para cargar la electrónica moderna basada en corriente, es necesario controlar la conversión entre la corriente de carga y la corriente de valle en un amplio rango a altas temperaturas.
Ahora, El grupo de investigación del profesor Seigo Tarucha en el Departamento de Física Aplicada de la Escuela de Graduados de Ingeniería ha creado un dispositivo de corriente de valle controlable eléctricamente que convierte la corriente eléctrica convencional en corriente de valle. lo pasa a través de un canal largo (3,5 micrones), luego convierte la corriente valle de nuevo en corriente de carga que puede ser detectada por un voltaje medible. El grupo de investigación utilizó una bicapa de grafeno intercalada entre dos capas de aislante, con todo el dispositivo intercalado entre dos capas conductoras o 'puertas', permitiendo el control del valle.
Un campo eléctrico vertical (flechas verdes) rompe la simetría del grafeno bicapa permitiendo el control selectivo del valle. Un convencional, pequeña corriente eléctrica (flecha violeta) se convierte en corriente de valle a través del efecto Hall de valle (VHE). (Los electrones en el valle K, azul, viajar a la derecha; mientras que los electrones en el valle de Kâ € �, rosado, viaje hacia la izquierda.) La corriente pura del valle viaja una distancia significativa. En el otro lado del dispositivo, la corriente de valle se convierte de nuevo en corriente de carga a través del efecto Hall de valle inverso (IVHE) y se detecta como voltaje. Crédito:(c) 2015 Seigo Tarucha
El grupo transfirió la corriente del valle a una distancia lo suficientemente grande como para excluir otras posibles explicaciones competitivas de sus resultados y pudo controlar la eficiencia de la conversión de la corriente del valle en un amplio rango. El dispositivo también funcionó a temperaturas mucho más altas de lo esperado. "Normalmente medimos nuestros dispositivos a temperaturas inferiores al punto de licuefacción del helio (-268,95 C, solo 4,2 K por encima del cero absoluto) para detectar este tipo de fenómenos, "dice el Dr. Yamamoto, miembro del grupo de investigación. "Nos sorprendió que la señal pudiera detectarse incluso a -203,15 C (70 K). En el futuro, es posible desarrollar dispositivos que puedan funcionar a temperatura ambiente ".
"Corriente del valle, a diferencia de la corriente de carga, no es disipativa. Esto significa que no se pierde energía durante la transferencia de información, "dice el profesor Tarucha. Continúa, "Dado que el consumo de energía se está convirtiendo en un problema importante en la electrónica moderna, Los dispositivos basados en la corriente de Valley abren una nueva dirección para los futuros dispositivos informáticos de consumo de energía ultrabajo ".
Una imagen de Microscopio de Fuerza Atómica del dispositivo Valleytronics. El área de color naranja brillante es grafeno bicapa. El área azul claro muestra el área de la puerta superior. La corriente se inyecta desde el lado derecho del dispositivo, y convertido a corriente de valle. La corriente de valle se convierte nuevamente en corriente de carga y se detecta como una señal de voltaje. Crédito:(c) 2015 Seigo Tarucha
