En el impulso de encontrar nuevas formas de extender la electrónica más allá del uso de silicio, los físicos están experimentando con otras propiedades de los electrones, más allá de todo cargo. En trabajo publicado hoy (7 de diciembre) en la revista Ciencias , un equipo dirigido por el profesor de física de Penn State, Jun Zhu, describe una forma de manipular los electrones en función de su energía en relación con el impulso, denominada "grado de libertad valle".

"Imagina que estás en un mundo donde los electrones son de color:rojo o azul, "Zhu dijo, "y las carreteras por las que viajan los electrones también son de color rojo o azul. Los electrones solo pueden viajar por carreteras del mismo color, de modo que un electrón azul tendría que convertirse en un electrón rojo para viajar por la carretera roja ".

Hace dos años, El equipo de Zhu demostró que podían construir códigos de colores, carreteras de dos vías en un material llamado grafeno bicapa. Debido a su codificación de colores, estos caminos son topológicos. En el estudio actual, los investigadores hicieron una intersección de cuatro vías donde la codificación de colores de las carreteras se cambia en el otro lado. Por lo tanto, tiene una situación en la que un automóvil azul que viaja en dirección norte llega a esta intersección y descubre que en el otro lado de la intersección las carreteras en dirección norte están coloreadas de rojo. Si el electrón no puede cambiar de color, está prohibido seguir adelante.

Estos caminos son en realidad guías de ondas de electrones creadas por puertas definidas con extrema precisión utilizando litografía por haz de electrones de última generación. Los colores son en realidad el índice de valle de los coches, y la codificación de colores de las carreteras está controlada por la topología de las guías de ondas, análoga a las reglas de conducción por la izquierda y por la derecha de diferentes países. Cambiar el color de los coches requiere "dispersión entre valles, "que se minimiza en el experimento para permitir que funcione el control de tráfico.

"Lo que hemos logrado aquí es una válvula de valle topológica, que utiliza un nuevo mecanismo para controlar el flujo de electrones, ", Dijo Zhu." Esto es parte de un campo incipiente de la electrónica llamado Valleytronics. En nuestro experimento, controlar la topología —el bloqueo de la cantidad de movimiento en valle de los electrones— es lo que lo hizo funcionar ".

En el estudio, los investigadores preguntaron a dónde iría el coche azul metafórico si no pudiera seguir adelante.

"Tendrá que girar a la izquierda o a la derecha, "dijo el autor principal Jing Li, Ex estudiante de doctorado de Zhu, ahora es un becario postdoctoral de director en Los Alamos National Lab.

"Tenemos formas adicionales de controlar el tráfico que da vuelta, moviendo el carril gradualmente más cerca de un giro a la derecha o a la izquierda, el porcentaje de electrones / coches que giran hacia la derecha o hacia la izquierda se puede ajustar suavemente para que sea del 60 por ciento en un sentido, 40 por ciento el otro, o cualquier otra combinación de porcentajes ".

Esta partición controlada se llama "divisor de haz, "que es común para la luz pero no se logra fácilmente con electrones. Zhu y Li dijeron que están entusiasmados con este control que han logrado para sus carreteras codificadas por colores, ya que permite experimentos más avanzados en el futuro.

"La creación del dispositivo requiere muchos pasos y una litografía con haz de electrones bastante complicada, "Dijo Li." Afortunadamente, Las instalaciones de nanofabricación de última generación de Penn State, así como un equipo de personal de apoyo profesional, nos permitieron hacer todo esto ".

El próximo desafío para el equipo de Zhu será intentar construir sus dispositivos para que funcionen a temperatura ambiente en lugar de a las temperaturas muy frías que necesitan actualmente. Es factible Zhu cree, pero desafiante.

"El enfoque que adoptamos para hacer este dispositivo es escalable, ", Dijo Zhu." Si se dispone de grafeno bicapa de gran superficie y nitruro de boro hexagonal, potencialmente podemos hacer una ciudad de carreteras topológicas y transportar electrones a los lugares a los que deben ir, todo sin resistencia. Eso sería genial ".