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新型能谷电子器件研制成功
信息来源：浙大杭州科创中心 发布日期：2020-08-10 阅读次数：971
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- 近日，南京大学王肖沐教授、施毅教授课题组同浙大杭州科创中心徐杨教授带领的超视觉技术研究团队以及北京计算科学研究中心的特聘研究员邵磊合作，研制一种实现信息传递和处理的新办法。相关研究成果已经发表在国际知名期刊《自然·纳米技术》（NatureNanotechnology）上。
这种新办法是啥？它是一种在常温下实现能谷自旋流产生、传输、探测和调控等全信息处理功能的固态量子器件。翻译一下就是，可以不用通过电荷自由度作为载体传递信息，而是通过谷自由度实现，而且整个过程还功耗贼低！
什么是能谷自旋？
大家知道，我们现在使用的几乎所有的电子产品都离不开半导体器件。而现代半导体器件几乎都要依赖电荷实现对信息的表达、存储、传输和处理。
但是随着摩尔定律接近其极限，设计方法的复杂度也逐步升高，晶体管尺寸微缩带来的功耗问题愈发严重，晶体管的单个成本随尺寸微缩已展现出饱和的趋势。这意味着，传统器件已经进入其发展瓶颈。
该研究团队就提出和实现了一种“能谷自旋”晶体管新颖器件。该器件以能谷自由度替代电荷作为信息编码的载体，能谷自旋器件中数据的操作和传输可以不涉及电荷流，从而有望实现低功耗的功能器件。
据徐杨教授研究团队的李泠霏博士介绍，“能谷”是指半导体材料能量-动量色散关系中的极值点。简单的说，就是指一种电子内在的自由度，类似于电荷和自旋。有些二维材料会有两个对称的能谷。而电子的“能谷自旋”简单的说，就是电子的在两个能谷之间的存在情况，即电子的能谷态。实现能谷自由度信息写入的最简单的思路是实现谷极化，即使得两能谷之间的载流子浓度出现明显的差别。
类似于电荷自由度，谷自由度也可以用于信息的存储和运算。比如，一个能谷中的电子可以表示二进制码中的1，而另一个谷中的电子可以表示0，从而电子占据能谷的情况可以用来对信息进行编码和处理。
如何实现“能谷自旋”？
那么，既然“能谷自旋”这么好，为什么目前没有谷器件呢？原来，能谷也不是那么容易控制的。过去，能谷很难通过外场进行注入、操控和读出。更不要说利用能谷自旋来制作晶体管等器件。近年来，以过渡金属硫族化合物为代表的二维材料的出现，掀起了能谷自旋研究的新热潮。
该科研团队利用不对称等离激元纳米天线中的光学手性二维材料，实现电磁场与二维材料中能谷自旋的可控相互作用，并结合材料中的手性贝瑞曲率，在器件级别上实现了谷信息的产生、传输、探测和开关操作。
我们可以把不对称等离激元纳米天线当成是一种神奇的“滤光器”，只有我们想要的圆偏振态的光才可以通过和被增强。此外，该等离激元纳米天线还作为一个“电子加热器”，被选择的特定圆偏振的光可以在纳米天线中激发热电子，这些热电子被激发后，就将被注入到二维材料的特定的“能谷”中，从而实现“能谷自旋”。
“能谷自旋”有啥实际意义？
低能耗，新载体。“能谷自旋”首先为我们提供了一种未来信息传输，处理和存储方式变革的可能性。
而且，过去关于“能谷自旋”的很多研究都是在低温，磁场等特殊情况下开展的，并且需要圆偏振光激发，而该研究团队的这一成果首次提出了室温条件下任意偏振光激发下基于热电子的能谷自旋的基本单元器件。
别看低温、室温只差一个字，意义却不一样。室温就意味着“能谷自旋”的应用场景更广，虽然目前还在前沿科学研究的阶段，但至少让我们看到能谷信息器件应用于未来集成电路和量子计算的可能。此外，该器件将光信号直接转换为谷信号的这一方式，也有望应用于未来的超低功耗新型图像传感器和视觉芯片中。