En el mundo de la física de semiconductores, el objetivo es idear formas más eficientes y microscópicas de controlar y realizar un seguimiento de 0 y 1, los códigos binarios en los que se basan todas las funciones lógicas y de almacenamiento de información en las computadoras.

Un nuevo campo de la física que busca tales avances se llama Valleytronics, que explota el "grado de libertad valle" del electrón para el almacenamiento de datos y aplicaciones lógicas. Simplemente pon, los valles son máximos y mínimos de energías electrónicas en un sólido cristalino. Un método para controlar electrones en diferentes valles podría producir nuevos, chips de computadora súper eficientes.

Un equipo de la Universidad de Buffalo, dirigido por Hao Zeng, Doctor, profesor del Departamento de Física, trabajó con científicos de todo el mundo para descubrir una nueva forma de dividir los niveles de energía entre los valles en un semiconductor bidimensional.

El trabajo se describe en un estudio publicado en línea hoy (1 de mayo de 2017) en la revista Nanotecnología de la naturaleza .

La clave del descubrimiento de Zeng es el uso de un compuesto ferromagnético para separar los valles y mantenerlos en diferentes niveles de energía. Esto conduce a un aumento de la separación de las energías de los valles en un factor de 10 más que el obtenido aplicando un campo magnético externo.

"Normalmente, hay dos valles en estos semiconductores atómicamente delgados con exactamente la misma energía. Estos se denominan 'niveles de energía degenerada' en términos de mecánica cuántica. Esto limita nuestra capacidad para controlar los valles individuales. Se puede utilizar un campo magnético externo para romper esta degeneración . Sin emabargo, la división es tan pequeña que tendría que ir a los Laboratorios Nacionales de Alto Campo Magnético para medir una diferencia de energía considerable. Nuestro nuevo enfoque hace que los valles sean más accesibles y fáciles de controlar, y esto podría permitir que los valles sean útiles para el almacenamiento y procesamiento de información en el futuro, "Dijo Zeng.

La forma más sencilla de comprender cómo se pueden utilizar los valles en el procesamiento de datos puede ser pensar en dos valles uno al lado del otro. Cuando un valle está ocupado por electrones, el interruptor está "encendido". Cuando el otro valle está ocupado, el interruptor está "apagado". El trabajo de Zeng muestra que los valles se pueden colocar de tal manera que un dispositivo se puede "encender" y "apagar, "con una pequeña cantidad de electricidad.

Ingredientes microscópicos

Zeng y sus colegas crearon una heteroestructura de dos capas, con una película de 10 nanómetros de espesor de EuS magnético (sulfuro de europio) en la parte inferior y una sola capa (menos de 1 nanómetro) del dicalcogenuro de metal de transición WSe2 (diselenuro de tungsteno) en la parte superior. El campo magnético de la capa inferior forzó la separación de energía de los valles en el WSe2.

Los intentos anteriores de separar los valles implicaron la aplicación de campos magnéticos muy grandes desde el exterior. Se cree que el experimento de Zeng es la primera vez que se utiliza un material ferromagnético junto con un material semiconductor atómicamente delgado para dividir sus niveles de energía de valle.

"Mientras tengamos el material magnético allí, los valles se mantendrán separados, ", dijo." Esto lo hace valioso para aplicaciones de memoria no volátil ".

Athos Petrou, Catedrático Distinguido de la UB en el Departamento de Física, midió la diferencia de energía entre los valles separados haciendo rebotar la luz en el material y midiendo la energía de la luz reflejada.

"Por lo general, obtenemos este tipo de resultados solo una vez cada cinco o diez años, "Dijo Petrou.

Extendiendo la ley de Moore

El experimento se realizó a 7 grados Kelvin (-447 Fahrenheit), por lo que cualquier uso diario del proceso queda en el futuro. Sin embargo, demostrarlo es un primer paso.

"La razón por la que la gente está realmente entusiasmada con esto, es que se predice que la ley de Moore [que dice que el número de transistores en un circuito integrado se duplica cada dos años] terminará pronto. Ya no funciona porque ha alcanzado su límite fundamental, "Dijo Zeng.

"Los chips informáticos actuales se basan en el movimiento de cargas eléctricas, y eso genera una enorme cantidad de calor a medida que las computadoras se vuelven más potentes. Nuestro trabajo realmente ha llevado a Valleytronics un paso más hacia la superación de ese desafío ".