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科技日报实习记者 孙明源

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电子工业界有条著名的摩尔定律:集成电路上可容纳的晶体管数目,大约每隔18个月便会增加一倍。近年来,随着电子器件的尺寸越来越小,摩尔定律也遇到了瓶颈——在1到2纳米的尺度上,电子器件尺寸已经难以继续缩减。人们无法像从前一样,单靠缩减尺寸来提高器件性能。

近日,来自谷电子学与微纳光子学交叉领域的一项最新研究成果,为突破摩尔定律的瓶颈提供了新思路。由中国科学技术大学教授陈杨、华中科技大学教授陆培祥与新加坡国立大学讲席教授仇成伟组成的联合团队首次实现了基于混合纳米波导的WS2谷光子的长距离保真传输与定向分发。该成果近日发表于国际顶尖学术刊物《自然·纳米技术》。

延续摩尔定律需寻找新的电子自由度

“电子自由度指的是电子本身的可操作变量。有了这种可操作的变量就可以传输信息,进而进行运算。”陈杨说,“电荷自由度是电子自由度的一种,也是我们目前最常利用的一种电子自由度。”

传统电子器件依赖于电子的电荷自由度,“当电子器件的尺寸低于2纳米之后,由于能耗和量子效应的影响,电荷自由度留给我们的‘自由空间’到达了极限,这也正是‘摩尔定律’遭遇瓶颈的原因。”陈杨表示。

为了进一步缩小电子器件的尺寸,延续摩尔定律,寻找新的电子自由度并发展新型电子器件已经成为科研界和产业界的重要研究方向。

实际上,电子除了具有电荷自由度外,还具有能谷自由度。能谷指的是晶体布洛赫电子能带的极值点。陈杨解释道,布洛赫电子能带就像连绵起伏的山脉一样,有波峰也有波谷,能量的高和低是可以控制的变量。

由于能谷自由度中存在操作变量,因此可以记录信息。陈杨表示,能谷信息指的就是基于能谷自由度这一属性所记录下来的信息。他们此次利用各种谷电子器件实现长距离保真传输与定向分发的就是能谷信息。

由于电子的能量处于不断波动当中,能谷信息堪称稍纵即逝。要传输能谷信息,传统器件的传输速度太过缓慢,无法满足需求。科研人员需要研发出适用于能谷信息传输的“高速通道”,也就是各种谷电子器件,来实现能谷信息的传输。

多种新技术实现能谷信息保真传输

为了突破谷电子器件面临的技术瓶颈,不同学科领域的科研人员各尽其才。微纳光子学科学家提出,让光子成为信息传输的介质。在实际应用当中,光子芯片具有损耗极低的特点,是信息传输的良好载体。但这一思路的最大挑战在于如何把能谷信息,转化为光子信息。

在研究当中,陈杨等人创新性地设计并制备了一种以金—二硫化钨—二氧化硅—二氧化钛(Au-WS2-SiO2-TiO2)材料为基础的混合波导材料,为能谷信息的后处理奠定了基础。他们还构建了一种单入双出的谷光子路由器,实现了能谷信息的定向选择性分发。在此基础上,科研人员进一步实现了能谷信息在三端口环行器中的单向传输。

陈杨表示,这项研究首次实现了能谷信息的长距离保真传输与定向分发,虽然展示的谷电子器件功能仍处于初级阶段,但其为下一步搭建大规模谷电子器件网络提供了方案。

谷电子器件未来或将在某些领域成“明星”

在被问及谷电子器件何时能够实现工业级应用时,陈杨表示,现在制定具体的时间表还为时过早。 “在谷电子器件实现工业化应用之后,它也能基于自身优势在某些领域成为‘明星’。”陈杨说。

论文通讯作者、国际知名光子学专家、新加坡国立大学讲席教授仇成伟指出:“不同类型的电子器件之间的关系不是简单的相互取代,而是彼此协作,各展所长。在实际应用当中,需要发挥不同类型电子器件各自的优势,进行互联与集成,形成混合的应用生态。”

在仇成伟看来,谷电子器件应用前景广阔,是未来新型电子器件的重要类型。基于谷电子的集成光子器件已经在一些领域投入了应用。此外,谷电子器件也可能被用于量子计算、存储、通信等领域。一旦谷电子器件在这些领域得到应用,将是电子科学领域的巨大突破。

在未来,人们将见证能耗更低、功能更复杂的电子器件的诞生和普及。在这种变化背后,谷电子器件或将起到重要的作用。