隨著摩爾定律接近極限，傳統(tǒng)的晶體管器件已進入發(fā)展瓶頸。如何利用新原理、新結(jié)構(gòu)和新材料來解決和優(yōu)化傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件中的尺寸微縮和能耗等問題，是后摩爾時代半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展重點。南京大學電子工程學院的王肖沐、施毅課題組同浙江大學的徐楊課題組以及北京計算科學研究中心合作，研制了一種在常溫下實現(xiàn)能谷自旋流產(chǎn)生、傳輸、探測和調(diào)控等全信息處理功能的固態(tài)量子器件，成果近日發(fā)表在《自然·納米技術(shù)》雜志上。

現(xiàn)代半導(dǎo)體器件主要依賴電荷實現(xiàn)對信息的表達、存儲、傳輸和處理。在此基礎(chǔ)上，以晶體管作為基本單元，通過控制電荷流，完成信息的處理與計算等功能。而該研究團隊提出并實現(xiàn)的是一種“能谷自旋”晶體管新穎器件。該器件以能谷自旋自由度替代電荷作為信息編碼的載體，能谷自旋器件中數(shù)據(jù)的操作和傳輸可以不涉及電荷流，從而有望實現(xiàn)超低功耗的功能器件。

“能谷”是指半導(dǎo)體材料能量—動量色散關(guān)系中的極值點，雖然人們很早意識到，能谷自旋可以像電荷或自旋等自由度一樣表達信息，但由于能谷很難通過外場操控，目前無法利用能谷自旋制作晶體管等器件。該團隊利用不對稱等離激元納米天線中的光學手性，實現(xiàn)電磁場與過渡金屬硫族化合物中能谷自旋的可控相互作用，并結(jié)合材料中的手征貝瑞曲率，在器件級別上實現(xiàn)了谷信息的產(chǎn)生、傳輸、探測和開關(guān)操作。這一能谷自旋晶體管對能谷信息的注入、傳輸和探測過程進行了優(yōu)化和改進，使得能谷信息流得以在零偏置電壓下獨立于電荷流進行傳輸和調(diào)控。并且該器件單元有望通過類似于CMOS電路的構(gòu)造方式集成形成特定邏輯功能的超低功耗谷電子電路。

這項研究的重要意義在于，首次提出了一種室溫工作的能谷自旋的基本單元器件，這為后摩爾時代的新型谷信息器件的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，展示了能谷信息器件應(yīng)用于未來集成電路的可能。