一种室温工作的能谷自旋的基本单元器

随着摩尔定律接近极限，传统的晶体管器件已进入发展瓶颈。如何利用新原理、新结构和新材料来解决和优化传统半导体器件中的尺寸微缩和能耗等问题，是后摩尔时代半导体技术的发展重点。南京大学电子工程学院的王肖沐、施毅课题组同浙江大学的徐杨课题组以及北京计算科学研究中心合作，研制了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，成果近日发表在《自然·纳米技术》杂志上。

现代半导体器件主要依赖电荷实现对信息的表达、存储、传输和处理。在此基础上，以晶体管作为基本单元，通过控制电荷流，完成信息的处理与计算等功能。而该研究团队提出并实现的是一种“能谷自旋”晶体管新颖器件。该器件以能谷自旋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，从而有望实现超低功耗的功能器件。

“能谷”是指半导体材料能量—动量色散关系中的极值点，虽然人们很早意识到，能谷自旋可以像电荷或自旋等自由度一样表达信息，但由于能谷很难通过外场操控，目前无法利用能谷自旋制作晶体管等器件。该团队利用不对称等离激元纳米天线中的光学手性，实现电磁场与过渡金属硫族化合物中能谷自旋的可控相互作用，并结合材料中的手征贝瑞曲率，在器件级别上实现了谷信息的产生、传输、探测和开关操作。这一能谷自旋晶体管对能谷信息的注入、传输和探测过程进行了优化和改进，使得能谷信息流得以在零偏置电压下独立于电荷流进行传输和调控。并且该器件单元有望通过类似于CMOS电路的构造方式集成形成特定逻辑功能的超低功耗谷电子电路。

这项研究的重要意义在于，首次提出了一种室温工作的能谷自旋的基本单元器件，这为后摩尔时代的新型谷信息器件的发展奠定了基础，展示了能谷信息器件应用于未来集成电路的可能。