”Valleytronics” - ny typ av elektronik i diamant

Ett alternativt och nytt koncept inom elektronik är att utnyttja elektronens ”vågkvanttal” i kristallen för att hantera information. I en ny artikel i tidskriften Nature Materials föreslår forskare från Uppsala universitet en tillämpning inom ”valleytronics” som i framtiden skulle kunna ge ytterligare en möjlighet att realisera kvantdatorer.

Modern elektronik hanterar information genom att kontrollera och variera mängden av elektrisk laddning i kretsen. Alternativ till denna strategi är att utnyttja andra egenskaper än laddningen hos elektronerna för att hantera information i kretsen. En sådan metod är så kallad ”spinntronik”, där man använder elektronspinn som informationsbärare.

Ett alternativt och nytt koncept för att hantera information är att utnyttja elektronens ”vågkvanttal” i kristallen. Detta kan leda till ultrasnabba datorer med lägre värmeförluster i framtiden. Nu har en forskargrupp vid Uppsala universitet bestående av Jan Isberg, Markus Gabrysch, Johan Hammersberg, Saman Majdi och Kiran Kumar Kovi, tillsammans med den brittiske forskaren Daniel Twitchen, visat att de kan generera, transportera (över makroskopiska avstånd) och detektera elektroner vars olika vågkvanttal kan bevaras under en så pass lång tid som 300 ns (nanosekunder). Resultaten har publicerats i Nature Materials.

Elektroner färdas genom en kristall som vågor. Denna våg kan beskrivas med ett rörelsemoment med tillhörande vågvektor, som är en kontinuerlig variabel, och spin, som är ett diskret kvanttal. En kristall kan ha två till tre riktningar som är identiska för elektronens energi, rörelsemängdsmoment och vågvektor, med undantag för dess riktning.

Benämningen ”valleytronics” kommer av att elektronerna har lägre energi för vissa vågvektorer i högsymmetririktningarna och det är i dessa så kallade dalar som elektronerna föredrar att befinna sig i då de kylts av och förlorat energi. Typiska material som har sådana multipla dalar är grafen och vissa halvledare som kisel och diamant. För att fullständigt beskriva elektronens våg i en kristall behövs således även ett vågkvanttal som benämner den dal elektronen befinner sig i.

-   Att elektronen kan befinna sig i en och samma dal under en längre tid så att operationer kan utföras är således en viktig förutsättning för att utveckla ”valleytronics” och detta har vi nu visat är möjligt, säger Jan Isberg, professor i elektricitetslära vid Uppsala universitet.

Analogin med ”spintronics” antyder även att ett framtida tillämpningsområde för ”valleytronics” är inom kvantdatorer.
   
Kolbaserade elektroniska material såsom grafen, kolnanotuber och diamant har varit i fokus för en intensiv forskning under det senaste decenniet. Diamant är välkänt för sin exceptionella hårdhet. Mindre känt är att diamant leder värme sex gånger bättre än koppar, samtidigt som det kan tåla extremt höga spänningar utan genombrott. Därtill så går det att dopa så att det blir elektriskt ledande.

De fysikaliska egenskaperna hos diamant samt den senaste utvecklingen av tillverkningen av syntetisk diamant har lett till ett ökat intresse för diamant inom elektronik, fotonik och spinntronik. Tillämpning finns inom till exempel nanometerstora magnetiska sensorer, singelfoton-källor och kvantdatorer. Det har föreslagits att diamant är framtidens material inom kvantmekanikapplikationer på grund av den långa spinnrelaxationstiden och det stora bandgapet som möjliggör optisk aktivering av störatomer. Den tillämpning inom ”valleytronics” som Uppsalaforskarna nu föreslår har potential att ge ytterligare en möjlighet att realisera kvantdatorer.

Referens: "Generation transport and detection of valley polarized electrons in diamond". Advance Online Publication (AOP) on Nature Materials's website 14 July 2013. http://dx.doi.org/10.1038/nmat3694

För mer information kontakta Jan Isberg, professor i elektricitetslära, tel: 018-471 5821 eller e-post: Jan.Isberg@angstrom.uu.se