給點光就能傳信息，能耗還賊低？浙大杭州科創中心研發出了什麼神器？
2020-07-29 浙大杭州科創中心鴻雁傳書，烽火傳信。古代人要想傳個話，可真費勁！
您瞅瞅，飛鴿……啊，不好意思，貓頭鷹傳信
不像現在，動動手指，發個微信，電流載著信息「嗖」地一下就出去了。
不過，如今在科學家眼中，這種依靠電荷流傳信的方式，還遠遠不夠！一種新的信息處理方式正在悄悄誕生！！！
近日，南京大學王肖沐教授、施毅教授課題組同浙大杭州科創中心徐楊教授帶領的超視覺技術研究團隊以及北京計算科學研究中心的特聘研究員邵磊合作，研製一種實現信息傳遞和處理的新辦法。相關研究成果已經發表在國際知名期刊《自然·納米技術》（Nature Nanotechnology）上。
這種新辦法是啥？它是一種在常溫下實現能谷自旋流產生、傳輸、探測和調控等全信息處理功能的固態量子器件。
聽上去有點暈是不是？翻譯一下就是，可以不用通過電荷自由度作為載體傳遞信息，而是通過谷自由度實現，而且整個過程還功耗賊低！
那麼「能谷自旋」究竟是種怎樣神奇的存在？
該器件是怎麼實現這種「能谷自旋」？
「能谷自旋」傳遞信息又有什麼實際意義呢？
別著急，請聽小編我為你一一道來！
什麼是能谷自旋？
大家知道，我們現在使用的幾乎所有的電子產品都離不開半導體器件。而現代半導體器件幾乎都要依賴電荷實現對信息的表達、存儲、傳輸和處理。
但是隨著摩爾定律接近其極限，設計方法的複雜度也逐步升高，電晶體尺寸微縮帶來的功耗問題愈發嚴重，電晶體的單個成本隨尺寸微縮已展現出飽和的趨勢。這意味著，傳統器件已經進入其發展瓶頸。
這該如何是好？別著急，科學家們自有妙招！
能谷電晶體器件的示意圖
該研究團隊就提出和實現了一種「能谷自旋」電晶體新穎器件。該器件以能谷自由度替代電荷作為信息編碼的載體，能谷自旋器件中數據的操作和傳輸可以不涉及電荷流，從而有望實現低功耗的功能器件。
徐楊教授研究團隊的李泠霏博士告訴小編，「能谷」是指半導體材料能量-動量色散關係中的極值點。簡單的說，就是指一種電子內在的自由度，類似於電荷和自旋。有些二維材料會有兩個對稱的能谷。而電子的「能谷自旋」簡單的說，就是電子的在兩個能谷之間的存在情況，即電子的能谷態。實現能谷自由度信息寫入的最簡單的思路是實現谷極化，即使得兩能谷之間的載流子濃度出現明顯的差別。
類似於電荷自由度，谷自由度也可以用於信息的存儲和運算。比如，一個能谷中的電子可以表示二進位碼中的1，而另一個谷中的電子可以表示0，從而電子佔據能谷的情況可以用來對信息進行編碼和處理。
如何實現「能谷自旋」？
那麼，既然「能谷自旋」這麼好，為什麼目前沒有谷器件呢？原來，能谷也不是那麼容易控制的。過去，能谷很難通過外場進行注入、操控和讀出。更不要說利用能谷自旋來製作電晶體等器件。近年來，以過渡金屬硫族化合物為代表的二維材料的出現，掀起了能谷自旋研究的新熱潮。
能谷電晶體測試結果
該科研團隊利用不對稱等離激元納米天線中的光學手性二維材料，實現電磁場與二維材料中能谷自旋的可控相互作用，並結合材料中的手性貝瑞曲率，在器件級別上實現了谷信息的產生、傳輸、探測和開關操作。
我們可以把不對稱等離激元納米天線當成是一種神奇的「濾光器」，只有我們想要的圓偏振態的光才可以通過和被增強。此外，該等離激元納米天線還作為一個「電子加熱器」，被選擇的特定圓偏振的光可以在納米天線中激發熱電子，這些熱電子被激發後，就將被注入到二維材料的特定的「能谷」中，從而實現「能谷自旋」。
「能谷自旋」有啥實際意義？
低能耗，新載體。「能谷自旋」首先為我們提供了一種未來信息傳輸，處理和存儲方式變革的可能性。
而且，過去關於「能谷自旋」的很多研究都是在低溫，磁場等特殊情況下開展的，並且需要圓偏振光激發，而該研究團隊的這一成果首次提出了室溫條件下任意偏振光激發下基於熱電子的能谷自旋的基本單元器件。
別看低溫、室溫只差一個字，意義卻不一樣。室溫就意味著「能谷自旋」的應用場景更廣，雖然目前還在前沿科學研究的階段，但至少讓我們看到能谷信息器件應用於未來集成電路和量子計算的可能。此外，該器件將光信號直接轉換為谷信號的這一方式，也有望應用於未來的超低功耗新型圖像傳感器和視覺晶片中。
未來社會，信息傳遞會發生什麼改變？
關於這個問題，誰也不敢下斷言。或許在未來世界人類的眼裡，我們就像千百年前烽火臺上第一個點燃烽火的士兵，正在向信息革命的萬裡徵途，邁開艱難但有意義的第一步！這一步會邁向何方我們不知道，但邁開這一步的行為本身，就有巨大意義！
我們祝賀浙大杭州科創中心徐楊教授團隊取得突破性科研成果，同時也向每一位讓生活變得更加美好的科學家致敬！
如果您想了解徐楊教授科研團隊更多關於室溫下「能谷自旋」的相關科研訊息，請複製下方連結到瀏覽器打開閱讀：
http://hic.zju.edu.cn/research?id=186
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