神奇的“激子”：新一代电子器件将更节能！

导读

近日，瑞士洛桑联邦理工学院纳米电子与结构实验室的科学家们发现了一种控制激子某些特性以及改变它们产生光线的偏振特性的方法。这项研究将通向能耗更低、发热更少的新一代电子器件，同时也将成为新兴的“谷电子学”科研领域的一部分。

背景

随着后摩尔时代的来临，电子器件的性能正日益逼近其物理极限。传统计算机与电子器件面临着两大问题：能耗大、发热多。这两个问题的根本原因在于电荷，而传统计算机正是利用电荷来传输与处理数据的。

然而除了电荷属性，电子还具有自旋属性。自旋，是电子与生俱来的量子物理特性，它可以被理解为一种角动量，要么“向上”，要么“向下”。自旋电子器件的潜力巨大，与传统电子器件相比，它们产生的热量很少，耗费的电量也很少。

目前，科学家们已经探索出一些自旋电子器件，包括逻辑器件与存储器件，例如：美国德克萨斯大学达拉斯分校科学家设计出的全碳自旋逻辑器件、新加坡国立大学领导的国际科研团队发明的采用亚铁磁体的自旋电子存储器件。

除了电荷与自旋之外，电子还有新的特性，或者说“自由度”。对此，美国宾州州立大学的助理教授 Jun Zhu 这么认为：

“目前的硅基晶体管设备依赖于电荷来开关器件，然而许多的实验室正在寻找新方法（自由度）以操作电子。电荷是一种自由度，自旋是另一个自由度，构建基于自旋的晶体管的能力，也称为自旋电子学，目前仍处于发展阶段。第三个电子自由度，就是电子的‘谷状态’，它基于与它们动量相关的能量。”

因此，科学界出现了一个新兴的前沿研究领域：Valleytronics（谷电子学）。Valleytronics 是一个较新的学术词汇，由“valley”（谷）和“electronics”（电子）两个单词合成。

什么是谷电子学？

某些特殊的半导体，也称为“多谷半导体”，会在第一布里渊区的电子能带结构中出现多个“谷”（局部最小值）。谷电子学是指控制谷自由度的技术，所谓的谷自由度也就是这些多谷半导体中局部的“最大值/最小值”。谷电子学通常用于半导体量子物理领域。

谷电子学与新兴的自旋电子学有点相似。在自旋电子学中，内部的自旋自由度被用于存储、操控和读出比特信息；在谷电子学中，完成相似的任务是通过利用多个能带结构的极值，所以二进制信息“0”与“1”存储为不同的晶体动量离散值。

之前，笔者曾经介绍过美国宾州州立大学领导的科研团队通过双层石墨烯制成的设备展开实验，控制电子运动，实现了能耗更低和发热更少的半导体电子设备。此举成为了向“谷电子学”新兴电子物理领域迈出的重要一步。

（图片来源: Jun Zhu / 宾州州立大学）

创新

近日，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）纳米电子与结构实验室（LANES）的科学家们在谷电子学研究领域又取得了新进展，这一次他们是通过操控激子的“谷”，这种“谷”与电子和空穴的能量极值相关。这些“谷”可用于在纳米尺度上编码和处理信息。

该团队率先实现了室温条件下的激子控制。现在，他们将这项技术推进了一步，发现了一种控制激子某些特性以及改变它们产生光线的偏振特性的方法。

这项研究的论文已在《自然光子学（Nature Photonics）》期刊上发表。

（图片来源: EPFL）

技术

什么是激子？

当电子吸收光子并跃迁到更高的能级（在固态量子物理中也称为“能带”）时，激子就产生了。这种受激的电子在之前的能带上留下一个“空穴”。因为电子具有负电荷，而空穴具有正电荷，两种粒子在静电力（库伦力）的作用下束缚在一起，正是这种“电子-空穴”的配对被称为激子。

下面这幅漫画能让我们对于激子有一个更形象、更直观的理解：

（图片来源：EPFL）

激子只存在于半导体与绝缘体材料中，它们的非凡特性可在二维材料中轻松地获取到。二维材料，是指电子仅可在两个维度的非纳米尺度（1-100nm）上自由运动（平面运动）的材料，例如石墨烯、氮化硼、过渡族金属化合物（二硫化钼、二硫化钨、二硒化钨）、黑磷等。由于结构特殊，所以二维材料具有诸多优秀的特性，特别适合用于柔性电子器件、自旋电子器件等新兴电子器件的研究。

当两种二维材料结合起来时，通常会展现出两种材料原本都不具备的量子特性。去年7月份，该团队将两种二维材料：二硒化钨（WSe2）和二硫化钼（MoS2）相结合，采用“激子”取代电子，制造出一种能在室温下有效工作的新型晶体管：激子晶体管。

WSe2–MoS2 范德瓦尔斯异质结中的层间激子（图片来源：参考资料【3】）

激子晶体管在室温下的操作（图片来源：参考资料【3】）

这一次，EPFL 的科学家们又一次将二硒化钨（WSe2）与二硒化钼（MoSe2）结合到一起形成了范德瓦尔斯异质结，并对其中的层间激子进行电气控制与偏振切换。他们通过采用激光器产生圆偏振光束，并稍微移动两种二维材料的位置以创造出莫列波纹(Moiré Pattern)，从而达到采用激子改变并调整光线的偏振、波长和强度。

LANES 的领头人 Andras Kis 表示：“将包含这项技术的几个设备联系起来，为我们带来了一种新的处理数据的方法。通过改变给定设备中的光线偏振特性，然后我们可以在与之连接的第二设备中选择一个特定的谷。这就像从‘0’切换到‘1’，或者从‘1’切换到‘0’，这正是计算机所采用的基本二进制逻辑。”

器件的特性（图片来源：参考资料【4】）

层间激子的电气控制（图片来源：参考资料【4】）

偏振的电气控制（图片来源：参考资料【4】）

价值

这项研究将通向晶体管能耗与发热更少的新一代电子器件，并成为新兴的“谷电子学”科研领域的一部分。

关键字

半导体、谷电子学、自旋电子学、晶体管

参考资料

【1】https://actu.epfl.ch/news/excitons-pave-the-way-to-more-efficient-electronic/

【2】Joseph S. Friedman et al, Cascaded spintronic logic with low-dimensional carbon, Nature Communications (2017). DOI: 10.1038/ncomms15635

【3】http://dx.doi.org/10.1038/s41586-018-0357-y

【4】http://dx.doi.org/10.1038/s41566-018-0325-y