sneller, efficiëntere gegevensopslag en computerlogicasystemen zouden aan de horizon kunnen komen dankzij een nieuwe manier om elektronische energieniveaus af te stemmen in tweedimensionale films van kristal, ontdekt door onderzoekers van het MIT.

De ontdekking zou uiteindelijk de weg kunnen effenen voor de ontwikkeling van zogenaamde "valleytronic"-apparaten, die gebruik maken van de manier waarop elektronen zich verzamelen rond twee gelijke energietoestanden, bekend als valleien.

Ingenieurs waarschuwen al een tijdje dat we de grenzen bereiken van hoe klein we conventionele elektronische transistors kunnen bouwen. die gebaseerd zijn op de elektrische lading van elektronen.

Als resultaat, onderzoekers hebben het nut onderzocht van een eigenschap van elektronen die bekend staat als spin, om gegevens op te slaan en te manipuleren; dergelijke technologieën staan ​​bekend als spintronica.

Maar naast hun lading en spin, elektronen in materialen hebben ook een andere "vrijheidsgraad, " bekend als de vallei-index. Dit wordt zo genoemd omdat het uitzetten van de energie van elektronen ten opzichte van hun momentum resulteert in een grafiek die bestaat uit een curve met twee valleien, die worden bevolkt door elektronen terwijl ze door een materiaal bewegen.

Door deze mate van vrijheid te benutten, kan informatie in sommige materialen worden opgeslagen en verwerkt door de twee valleien selectief met elektronen te bevolken.

Echter, het ontwikkelen van dergelijke valleytronic-apparaten vereist een systeem om selectief de elektronen in de twee valleien te regelen, hetgeen tot dusver zeer moeilijk te verwezenlijken is gebleken.

Nutsvoorzieningen, in een artikel dat vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd Wetenschap , onderzoekers onder leiding van Nuh Gedik, een universitair hoofddocent natuurkunde aan het MIT, een nieuwe manier beschrijven om laserlicht te gebruiken om de elektronen in beide valleien onafhankelijk te controleren, binnen atomair dunne kristallen van wolfraamdisulfide.

"De twee valleien hebben precies hetzelfde energieniveau, wat niet per se het beste is voor toepassingen omdat je ze wilt kunnen afstemmen, om de energie enigszins te veranderen, zodat de elektronen [van de hogere] naar de lagere energietoestand zullen bewegen, ' zegt Gedik.

Hoewel dit kan worden bereikt door een magnetisch veld aan te leggen, zelfs zeer krachtige laboratoriummagneten met een sterkte van 10 tesla kunnen het energieniveau van het dal slechts met ongeveer 2 milli-elektronvolt (meV) verschuiven.

De onderzoekers hebben eerder aangetoond dat door het sturen van een ultrasnelle laserpuls, afgestemd op een frequentie die net onder de resonantie van het materiaal ligt, ze waren in staat om de energie van een van de valleien te verschuiven door een effect dat het "optische Stark-effect wordt genoemd, " terwijl ze de andere vallei nagenoeg onveranderd lieten. Op deze manier konden ze een verschuiving in energieniveau tot 20 meV realiseren.

"Het licht en de elektronen in het materiaal vormen een soort hybride toestand, die helpt om de energieniveaus rond te duwen, ' zegt Gedik.

In het laatste experiment ontdekten de onderzoekers dat door de laserfrequentie af te stemmen tot nog verder onder de resonantie, en het verhogen van de intensiteit, ze waren in staat om tegelijkertijd de energieniveaus van beide valleien te verschuiven en een zeer zeldzaam fysiek fenomeen te onthullen.

Terwijl één vallei nog steeds verschuift als gevolg van de optische Stark-verschuiving zoals voorheen, de andere vallei verschuift door een ander mechanisme, bekend als de "Bloch-Siegert-verschuiving, " volgens MIT natuurkunde promovendus Edbert Jarvis Sie, hoofdauteur van de krant.

Hoewel de Bloch-Siegert-verschuiving voor het eerst werd voorspeld in 1940, en kort daarna hielp hij Willis Lamb inspireren tot zijn Nobelprijswinnende ontdekking in 1955 van de verschuiving van het Lam in waterstofatomen, het is een grote uitdaging gebleven om het experimenteel in vaste stoffen te observeren.

Inderdaad, afgezien van zogenaamde kunstmatige atomen, het nieuwe mechanisme is tot nu toe nooit waargenomen in vaste stoffen, omdat de resulterende verschuivingen te klein waren, zegt Sie. Het experiment uitgevoerd in het Gedik Lab produceerde een Bloch-Siegert-verschuiving van 10 meV, dat is 1, 000 keer groter dan eerder gezien.

Bovendien, de twee effecten - de Bloch-Siegert-verschuiving en optische Stark-verschuiving - vonden eerder plaats in dezelfde optische overgang, wat betekent dat onderzoekers moeite hebben gehad om de twee mechanismen te ontwarren, zegt Sie.

"In ons werk kunnen we de twee mechanismen heel natuurlijk ontwarren, want terwijl één vallei de optische Stark-verschuiving vertoont, de andere vallei vertoont de Bloch-Siegert-verschuiving, Sie zegt. "Dit kan zo mooi werken in dit materiaal omdat de twee mechanismen een vergelijkbare relatie hebben met de twee valleien. Ze zijn gerelateerd door wat tijd-omkeringssymmetrie wordt genoemd."

Dit zou een betere controle over valleytronic-eigenschappen in tweedimensionale materialen mogelijk moeten maken, Nou zegt. "Het zou je meer vrijheid kunnen geven bij het afstemmen van de elektronische valleien, " hij zegt.