Cables unidimensionales creados en grafeno bicapa cerrados por dos pares de puertas divididas por encima y por debajo de la hoja. Los cables que viajan en direcciones opuestas transportan electrones de diferentes estados de valle etiquetados como K y K 'en la figura. Crédito:Zhu, Penn State
Un dispositivo hecho de grafeno bicapa, una disposición hexagonal atómicamente delgada de átomos de carbono, proporciona una prueba experimental de la capacidad de controlar el impulso de los electrones y ofrece un camino hacia la electrónica que podría requerir menos energía y emitir menos calor que los transistores estándar basados en silicio. Es un paso adelante en un nuevo campo de la física llamado Valleytronics.
"Los dispositivos de transistores actuales basados en silicio dependen de la carga de electrones para encender o apagar el dispositivo, pero muchos laboratorios están buscando nuevas formas de manipular electrones basándose en otras variables, llamados grados de libertad, "dijo Jun Zhu, profesor asociado de física, Penn State, quien dirigió la investigación. "La carga es un grado de libertad. El giro del electrón es otro, y la capacidad de construir transistores basados en espín, llamada espintrónica, todavía está en la etapa de desarrollo. Un tercer grado electrónico de libertad es el estado de valle de los electrones, que se basa en su energía en relación con su impulso ".
Piense en los electrones como automóviles y los estados del valle como colores azul y rojo, Zhu sugirió, solo como una forma de diferenciarlos. Dentro de una hoja de grafeno bicapa, los electrones normalmente ocuparán estados de valle rojo y azul y viajarán en todas las direcciones. El dispositivo que su Ph.D. estudiante, Jing Li, ha estado trabajando para hacer que los autos rojos vayan en una dirección y los autos azules en la dirección opuesta.
"El sistema que creó Jing coloca un par de puertas por encima y por debajo de una hoja de grafeno bicapa. Luego, agrega un campo eléctrico perpendicular al plano, "Dijo Zhu.
"Al aplicar un voltaje positivo en un lado y un voltaje negativo en el otro, se abre una brecha en grafeno bicapa, que normalmente no tiene, "Li explicó." En el medio, entre los dos lados, dejamos un espacio físico de unos 70 nanómetros ".
Ésta es una micrografía electrónica escaneada de un dispositivo utilizado en este experimento. Se apilan láminas delgadas de grafeno y nitruro de boro hexagonal y se les da forma mediante litografía por haz de electrones para crear este dispositivo. La capa violeta es la hoja de grafeno bicapa. El par inferior de puertas divididas (cuadrados oscuros) están hechos de grafeno multicapa. El par superior de puertas divididas (barras de oro) está hecho de oro. Los cables unidimensionales viven en el espacio creado por las puertas divididas. Crédito:Zhu, Penn State
Dentro de esta brecha viven estados metálicos unidimensionales, o cables, que son autopistas codificadas por colores para los electrones. Los autos rojos viajan en una dirección y los autos azules viajan en la dirección opuesta. En teoria, los electrones de colores podían viajar sin obstáculos a lo largo de los cables durante una gran distancia con muy poca resistencia. Una menor resistencia significa que el consumo de energía es menor en los dispositivos electrónicos y se genera menos calor. Tanto el consumo de energía como la gestión térmica son desafíos en los dispositivos miniaturizados actuales.
"Nuestros experimentos muestran que los cables metálicos se pueden crear, ", Dijo Li." Aunque todavía estamos muy lejos de las aplicaciones ".
Zhu agregado, "Es bastante notable que tales estados se puedan crear en el interior de una lámina de grafeno bicapa aislante, usando solo unas pocas puertas. Todavía no están libres de resistencia, y estamos haciendo más experimentos para comprender de dónde podría provenir la resistencia. También estamos tratando de construir válvulas que controlen el flujo de electrones en función del color de los electrones. Ese es un nuevo concepto de electrónica llamado valleytronics ".
Li trabajó en estrecha colaboración con el personal técnico de la instalación de nanofabricación de Penn State para convertir el marco teórico en un dispositivo de trabajo.
"La alineación de las puertas superior e inferior fue crucial y no un desafío trivial, "dijo Chad Eichfeld, ingeniero en nanolitografía. "Las capacidades de litografía por haz de electrones de última generación en el Laboratorio de Nanofabricación de Penn State permitieron a Jing crear este dispositivo novedoso con características a nanoescala".
