Физики научились генерировать и контролировать электроны в долинах двумерных полупроводников.

В последние десятилетия исследователи разных стран активно ищут замену традиционной электронике, основанной на использовании заряда электрона. Они стремятся уменьшить энергопотребление и тепловыделение электронных устройств из-за протекания электрических токов и увеличить их быстродействие. Наиболее известное альтернативное направление – спинтроника, в котором используется еще одно свойство электронов – спин.

Гораздо менее известно другое направление исследований – волитроника (valleytronics). Оно основано на том, что у некоторых полупроводников есть несколько минимумов разрешенной энергии электронов проводимости (на языке зонной теории – минимумов зоны проводимости), которые физики называют долинами. Английское название valleytronics образовано аналогично спинтронике из двух слов valley (долина) и electronics (электроника). 

Схема эксперимента. Спин передается спин-поляризованными дырками из ферромагнитного полупроводника (Ga, Mn)As в монослой TMDC. Оранжевая стрелка изображает излучаемый свет. Черная стрелка справа указывает направление магнитного поля (рис. Berkeley Lab).

Наличие таких долин позволяет кодировать информацию помещением электрона в одну из них. В сочетании со спином это позволяет значительно расширить возможности кодирования информации в устройствах. По отдельности два значения спина или две долины соответствуют одному биту информации – их можно сопоставить с 0 и 1. А вот две долины, в которых спины электронов могут принимать разное значение,  представляют собой двухбитовую конструкцию, кодирующую уже четыре значения. А если добавить еще и заряд, то можно кодировать восемь значений. Как и спинтроника, волитроника обещает увеличение быстродействия, более высокую помехозащищенность и меньшую потребляемую мощность. Однако созданию подобных устройств на практике препятствует сложность управления электронами для их помещения в долины и их контроля там.

В статье, опубликованной в журнале Nature Nanotechnology, исследователи из США и Китая сообщили, что им впервые удалось генерировать электроны и управлять ими в долинах двумерного полупроводника, представляющего собой слой дихалькогенида переходного металла (TMDC). Для этого они использовали электрическую передачу (инжекцию) ему спина от присоединенного ферромагнитного полупроводника. Самое важное, что им удалось размещать носители заряда только в одной из двух долин. Благодаря явлению электролюминесценции долины после этого излучали поляризованный свет с разной круговой поляризацией, наблюдая за которым физики убедились в успешности проведенной операции.