隨著后摩爾時代的來臨，電子器件的性能正日益逼近其物理極限。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)與電子器件面臨著兩大問題：能耗大、發(fā)熱多。這兩個問題的根本原因在于電荷，而傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)正是利用電荷來傳輸與處理數(shù)據(jù)的。

然而除了電荷屬性，電子還具有自旋屬性。自旋，是電子與生俱來的量子物理特性，它可以被理解為一種角動量，要么“向上”，要么“向下”。自旋電子器件的潛力巨大，與傳統(tǒng)電子器件相比，它們產(chǎn)生的熱量很少，耗費(fèi)的電量也很少。

目前，科學(xué)家們已經(jīng)探索出一些自旋電子器件，包括邏輯器件與存儲器件，例如：美國德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分?？茖W(xué)家設(shè)計(jì)出的全碳自旋邏輯器件、新加坡國立大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的國際科研團(tuán)隊(duì)發(fā)明的采用亞鐵磁體的自旋電子存儲器件。

除了電荷與自旋之外，電子還有新的特性，或者說“自由度”。對此，美國賓州州立大學(xué)的助理教授 Jun Zhu 這么認(rèn)為：

“目前的硅基晶體管設(shè)備依賴于電荷來開關(guān)器件，然而許多的實(shí)驗(yàn)室正在尋找新方法（自由度）以操作電子。電荷是一種自由度，自旋是另一個自由度，構(gòu)建基于自旋的晶體管的能力，也稱為自旋電子學(xué)，目前仍處于發(fā)展階段。第三個電子自由度，就是電子的‘谷狀態(tài)’，它基于與它們動量相關(guān)的能量。”

因此，科學(xué)界出現(xiàn)了一個新興的前沿研究領(lǐng)域：Valleytronics（谷電子學(xué)）。Valleytronics 是一個較新的學(xué)術(shù)詞匯，由“valley”（谷）和“electronics”（電子）兩個單詞合成。

什么是谷電子學(xué)？

某些特殊的半導(dǎo)體，也稱為“多谷半導(dǎo)體”，會在第一布里淵區(qū)的電子能帶結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)多個“谷”（局部最小值）。谷電子學(xué)是指控制谷自由度的技術(shù)，所謂的谷自由度也就是這些多谷半導(dǎo)體中局部的“最大值/最小值”。谷電子學(xué)通常用于半導(dǎo)體量子物理領(lǐng)域。

谷電子學(xué)與新興的自旋電子學(xué)有點(diǎn)相似。在自旋電子學(xué)中，內(nèi)部的自旋自由度被用于存儲、操控和讀出比特信息；在谷電子學(xué)中，完成相似的任務(wù)是通過利用多個能帶結(jié)構(gòu)的極值，所以二進(jìn)制信息“0”與“1”存儲為不同的晶體動量離散值。

之前，筆者曾經(jīng)介紹過美國賓州州立大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)通過雙層石墨烯制成的設(shè)備展開實(shí)驗(yàn)，控制電子運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)了能耗更低和發(fā)熱更少的半導(dǎo)體電子設(shè)備。此舉成為了向“谷電子學(xué)”新興電子物理領(lǐng)域邁出的重要一步。

（圖片來源: Jun Zhu / 賓州州立大學(xué)）

 

創(chuàng)新

近日，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）納米電子與結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室（LANES）的科學(xué)家們在谷電子學(xué)研究領(lǐng)域又取得了新進(jìn)展，這一次他們是通過操控激子的“谷”，這種“谷”與電子和空穴的能量極值相關(guān)。這些“谷”可用于在納米尺度上編碼和處理信息。

該團(tuán)隊(duì)率先實(shí)現(xiàn)了室溫條件下的激子控制。現(xiàn)在，他們將這項(xiàng)技術(shù)推進(jìn)了一步，發(fā)現(xiàn)了一種控制激子某些特性以及改變它們產(chǎn)生光線的偏振特性的方法。

這項(xiàng)研究的論文已在《自然光子學(xué)（Nature Photonics）》期刊上發(fā)表。

 

（圖片來源: EPFL）

 

技術(shù)

什么是激子？

當(dāng)電子吸收光子并躍遷到更高的能級（在固態(tài)量子物理中也稱為“能帶”）時，激子就產(chǎn)生了。這種受激的電子在之前的能帶上留下一個“空穴”。因?yàn)殡娮泳哂胸?fù)電荷，而空穴具有正電荷，兩種粒子在靜電力（庫倫力）的作用下束縛在一起，正是這種“電子-空穴”的配對被稱為激子。

下面這幅漫畫能讓我們對于激子有一個更形象、更直觀的理解：

（圖片來源：EPFL）

 

激子只存在于半導(dǎo)體與絕緣體材料中，它們的非凡特性可在二維材料中輕松地獲取到。二維材料，是指電子僅可在兩個維度的非納米尺度（1-100nm）上自由運(yùn)動（平面運(yùn)動）的材料，例如石墨烯、氮化硼、過渡族金屬化合物（二硫化鉬、二硫化鎢、二硒化鎢）、黑磷等。由于結(jié)構(gòu)特殊，所以二維材料具有諸多優(yōu)秀的特性，特別適合用于柔性電子器件、自旋電子器件等新興電子器件的研究。

當(dāng)兩種二維材料結(jié)合起來時，通常會展現(xiàn)出兩種材料原本都不具備的量子特性。去年7月份，該團(tuán)隊(duì)將兩種二維材料：二硒化鎢（WSe2）和二硫化鉬（MoS2）相結(jié)合，采用“激子”取代電子，制造出一種能在室溫下有效工作的新型晶體管：激子晶體管。

 

WSe2–MoS2 范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)中的層間激子（圖片來源：參考資料【3】）

激子晶體管在室溫下的操作（圖片來源：參考資料【3】）

 

這一次，EPFL 的科學(xué)家們又一次將二硒化鎢（WSe2）與二硒化鉬（MoSe2）結(jié)合到一起形成了范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)，并對其中的層間激子進(jìn)行電氣控制與偏振切換。他們通過采用激光器產(chǎn)生圓偏振光束，并稍微移動兩種二維材料的位置以創(chuàng)造出莫列波紋(Moiré Pattern)，從而達(dá)到采用激子改變并調(diào)整光線的偏振、波長和強(qiáng)度。

LANES 的領(lǐng)頭人 Andras Kis 表示：“將包含這項(xiàng)技術(shù)的幾個設(shè)備聯(lián)系起來，為我們帶來了一種新的處理數(shù)據(jù)的方法。通過改變給定設(shè)備中的光線偏振特性，然后我們可以在與之連接的第二設(shè)備中選擇一個特定的谷。這就像從‘0’切換到‘1’，或者從‘1’切換到‘0’，這正是計(jì)算機(jī)所采用的基本二進(jìn)制邏輯。”

 

器件的特性（圖片來源：參考資料【4】）

 

層間激子的電氣控制（圖片來源：參考資料【4】）

 

偏振的電氣控制（圖片來源：參考資料【4】）

 

價值

這項(xiàng)研究將通向晶體管能耗與發(fā)熱更少的新一代電子器件，并成為新興的“谷電子學(xué)”科研領(lǐng)域的一部分。