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。全世界的研究者都在寻找更小空间内具有更高计算能力的新材料。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，研制出一种固态量子器件，可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。该成果近日发表在《自然·纳米技术》杂志上。

  摩尔定律为何无法逾越

  摩尔定律最初起源于一篇论文《把更多零件塞到集成电路里》，预言半导体芯片上的晶体管密度，平均每18-24个月翻一番。随着晶体管尺寸的不断缩小，其散热和芯片生产成本控制已经成为无法逾越的技术挑战。

  摩尔定律为何无法逾越？王肖沐告诉记者，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。“举个例子，我们最基本的元器件叫三极管，电流通过的时候表达为‘1’，电流不流通的时候表达为‘0’。”基于这种二进制的信息表达逻辑，晶体管作为基本单元，通过控制电荷的流动，也就是电流，完成信息的处理与计算等功能。但是摩尔定律的一个核心障碍是，只要有电流流过导体，产生焦耳热，功耗的极限值就不可避免。“随着器件的集成度越来越高，其功耗也就越高，比如说最先进的CPU在全功率运作时，其功率密度几乎跟喷气式发动机的尾焰的功率密度是类似的。”

  降低集成电路功耗的理想思路

  降低集成电路功耗的一条理想思路是，用其他量子自由度，替代以前的电荷来表达信息，在计算中极大减小或消除电信号产生的焦耳热，在更小空间中计算更多的“0”和“1”。

  王肖沐说，研究团队提出并实现的是一种“能谷自旋”晶体管新颖器件。该器件是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流，从而有望实现超低功耗。

  什么是能谷？“能谷”是指半导体材料能量―动量色散关系中的极值点，能谷自旋可以利用电子的“上下”能谷自旋作为开关晶体管的状态。比如在硫化锌当中，能量的极值对不同的光偏振具有不同的形状和响应，从而允许其直接识别“0”和“1”。王肖沐说，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。

  为新型谷信息器件发展奠定基础

  “能谷自由度的操作比较复杂，无论是光、电、热、核磁等外场都会同时与两个能谷发生作用，无法区别其中的粒子。”王肖沐说，传统方法都是使用了间接、复杂的实验手段，比如通过控制光的偏振，在极低的温度下实现器件沟道中能谷自旋极化。而研究团队是在器件级别上实现了能谷信息的产生、传输、探测和开关操作。“简单说，就是自发地把一个个入射进来的光电子，分解为左旋和右旋，或者自旋向上和向下两个元素。在这种光场空间分离的基础上，让两种被分解出来的光电磁场和不同能谷作用，实现了能谷自由度的选择性激发，产生能谷自旋流。通过控制能谷自旋流的打开和关断，实现信号的开关表达。”

  实验发现，该器件可以在完全不加电压的情况下工作，在非常低的电流下也能够实现很大的输出信号的调控。器件对能谷信息的注入、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流进行传输和调控。

  该器件单元有望通过类似于CMOS（互补金属氧化物半导体）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。由于该研究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。