Na busca por novas maneiras de estender a eletrônica além do uso de silício, os físicos estão experimentando outras propriedades dos elétrons, além da carga. Em trabalho publicado hoje (07/12) na revista Ciência , uma equipe liderada pelo professor de física da Penn State, Jun Zhu, descreve uma maneira de manipular elétrons com base em sua energia em relação ao momento - chamado de "grau de liberdade do vale".

"Imagine que você está em um mundo onde os elétrons são coloridos - vermelho ou azul, "Zhu disse, "e as estradas pelas quais os elétrons viajam também são coloridas de vermelho ou azul. Os elétrons só podem viajar em estradas da mesma cor, de modo que um elétron azul teria que se transformar em um elétron vermelho para viajar na estrada vermelha. "

Dois anos atrás, A equipe de Zhu mostrou que eles podiam construir códigos de cores, estradas de mão dupla em um material denominado grafeno de duas camadas. Por causa de seu código de cores, essas estradas são topológicas. No estudo atual, os pesquisadores fizeram um cruzamento de quatro vias onde o código de cores das estradas é alternado do outro lado. Portanto, você tem uma situação em que um carro azul viajando para o norte chega a esta interseção e descobre que do outro lado da interseção as estradas para o norte são coloridas de vermelho. Se o elétron não pode mudar de cor, é proibido seguir em frente.

Essas estradas são, na verdade, guias de ondas de elétrons criadas por portas definidas com extrema precisão usando litografia de feixe de elétrons de última geração. As cores são, na verdade, o índice de vale dos carros, e o código de cores das estradas é controlado pela topologia dos guias de ondas, análogo às regras de direção à esquerda e direção à direita de diferentes países. Mudar a cor dos carros requer "dispersão entre vales, "que é minimizado no experimento para permitir que o controle de tráfego funcione.

"O que alcançamos aqui é uma válvula topológica de vale, que usa um novo mecanismo para controlar o fluxo de elétrons, "Zhu disse." Isso é parte de um campo incipiente da eletrônica chamado Valleytronics. Em nosso experimento, controlar a topologia - o bloqueio do momento de vale dos elétrons - é o que o faz funcionar. "

No estudo, os pesquisadores perguntaram para onde iria o carro azul metafórico se não pudesse seguir em frente.

"Terá que virar à esquerda ou à direita, "disse o autor principal Jing Li, Ex-aluno de doutorado de Zhu, agora é bolsista de pós-doutorado do diretor no Laboratório Nacional de Los Alamos.

"Temos maneiras adicionais de controlar o tráfego de conversão - movendo a pista cada vez mais para perto de uma conversão à direita ou à esquerda, a porcentagem de elétrons / carros virando para a direita ou para a esquerda pode ser suavemente ajustada para ser 60 por cento em uma direção, 40 por cento o outro, ou qualquer outra combinação de porcentagens. "

Esta partição controlada é chamada de "divisor de feixe, "o que é comum para a luz, mas não é facilmente conseguido com elétrons. Zhu e Li disseram que estão entusiasmados com o controle que alcançaram em suas estradas codificadas por cores, pois permite experimentos mais avançados no futuro.

"A criação do dispositivo requer muitas etapas e litografia de feixe eletrônico bastante complicada, "Li disse." Felizmente, As instalações de nanofabricação de última geração da Penn State, bem como uma equipe de profissionais de suporte, nos permitiram fazer tudo isso. "

O próximo desafio para a equipe de Zhu será tentar construir seus dispositivos para operar em temperatura ambiente, em vez de nas temperaturas muito baixas de que eles precisam atualmente. É factível, Zhu acredita, mas desafiador.

"A abordagem que adotamos para tornar este dispositivo escalonável, "Zhu disse." Se o grafeno de bicamada de grande área e o nitreto de boro hexagonal se tornarem disponíveis, podemos potencialmente fazer uma cidade de estradas topológicas e transportar elétrons para lugares que eles precisam ir, tudo sem resistência. Isso seria muito legal."