科學家另辟蹊徑，為摩爾定律“續命”

　　谷電子器件應用前景廣闊，可能被用于量子計算、存儲、通信等領域。一旦谷電子器件在這些領域得到應用，將是電子科學領域的巨大突破。

　　仇成偉

　　新加坡國立大學講席教授

　　電子工業界有條著名的摩爾定律：集成電路上可容納的晶體管數目，大約每隔18個月便會增加一倍。近年來，隨著電子器件的尺寸越來越小，摩爾定律也遇到了瓶頸——在1到2納米的尺度上，電子器件尺寸已經難以繼續縮減。人們無法像從前一樣，單靠縮減尺寸來提高器件性能。

　　近日，來自谷電子學與微納光子學交叉領域的一項最新研究成果，為突破摩爾定律的瓶頸提供了新思路。由中國科學技術大學教授陳楊、華中科技大學教授陸培祥與新加坡國立大學講席教授仇成偉組成的聯合團隊首次實現了基于混合納米波導的WS2谷光子的長距離保真傳輸與定向分發。該成果近日發表于國際頂尖學術刊物《自然·納米技術》。

　　延續摩爾定律需尋找新的電子自由度

　　“電子自由度指的是電子本身的可操作變量。有了這種可操作的變量就可以傳輸信息，進而進行運算。”陳楊說，“電荷自由度是電子自由度的一種，也是我們目前最常利用的一種電子自由度。”

　　傳統電子器件依賴于電子的電荷自由度，“當電子器件的尺寸低于2納米之后，由于能耗和量子效應的影響，電荷自由度留給我們的‘自由空間’到達了極限，這也正是‘摩爾定律’遭遇瓶頸的原因。”陳楊表示。

　　為了進一步縮小電子器件的尺寸，延續摩爾定律，尋找新的電子自由度并發展新型電子器件已經成為科研界和產業界的重要研究方向。

　　實際上，電子除了具有電荷自由度外，還具有能谷自由度。能谷指的是晶體布洛赫電子能帶的極值點。陳楊解釋道，布洛赫電子能帶就像連綿起伏的山脈一樣，有波峰也有波谷，能量的高和低是可以控制的變量。

　　由于能谷自由度中存在操作變量，因此可以記錄信息。陳楊表示，能谷信息指的就是基于能谷自由度這一屬性所記錄下來的信息。他們此次利用各種谷電子器件實現長距離保真傳輸與定向分發的就是能谷信息。

　　由于電子的能量處于不斷波動當中，能谷信息堪稱稍縱即逝。要傳輸能谷信息，傳統器件的傳輸速度太過緩慢，無法滿足需求。科研人員需要研發出適用于能谷信息傳輸的“高速通道”，也就是各種谷電子器件，來實現能谷信息的傳輸。

　　多種新技術實現能谷信息保真傳輸

　　為了突破谷電子器件面臨的技術瓶頸，不同學科領域的科研人員各盡其才。微納光子學科學家提出，讓光子成為信息傳輸的介質。在實際應用當中，光子芯片具有損耗極低的特點，是信息傳輸的良好載體。但這一思路的最大挑戰在于如何把能谷信息，轉化為光子信息。

　　在研究當中，陳楊等人創新性地設計并制備了一種以金—二硫化鎢—二氧化硅—二氧化鈦（Au-WS_2-SiO_2-TiO_2）材料為基礎的混合波導材料，為能谷信息的后處理奠定了基礎。他們還構建了一種單入雙出的谷光子路由器，實現了能谷信息的定向選擇性分發。在此基礎上，科研人員進一步實現了能谷信息在三端口環行器中的單向傳輸。

　　陳楊表示，這項研究首次實現了能谷信息的長距離保真傳輸與定向分發，雖然展示的谷電子器件功能仍處于初級階段，但其為下一步搭建大規模谷電子器件網絡提供了方案。

　　谷電子器件未來或將在某些領域成“明星”

　　在被問及谷電子器件何時能夠實現工業級應用時，陳楊表示，現在制定具體的時間表還為時過早。 “在谷電子器件實現工業化應用之后，它也能基于自身優勢在某些領域成為‘明星’。”陳楊說。

　　論文通訊作者、國際知名光子學專家、新加坡國立大學講席教授仇成偉指出：“不同類型的電子器件之間的關系不是簡單的相互取代，而是彼此協作，各展所長。在實際應用當中，需要發揮不同類型電子器件各自的優勢，進行互聯與集成，形成混合的應用生態。”

　　在仇成偉看來，谷電子器件應用前景廣闊，是未來新型電子器件的重要類型。基于谷電子的集成光子器件已經在一些領域投入了應用。此外，谷電子器件也可能被用于量子計算、存儲、通信等領域。一旦谷電子器件在這些領域得到應用，將是電子科學領域的巨大突破。

　　在未來，人們將見證能耗更低、功能更復雜的電子器件的誕生和普及。在這種變化背后，谷電子器件或將起到重要的作用。