NUS-onderzoekers hebben een parametervrije benadering ontwikkeld om de respons van tweedimensionale (2-D) valleytronics-materialen op een extern magnetisch veld kwantitatief te voorspellen. Deze voorspellingen zijn belangrijk omdat ze inzicht verschaffen in de effecten van veel lichamen in een fascinerende eigenschap van deze materialen die het magnetische veld in staat stelt de stabiliteit van de ene vallei (bit "één") ten opzichte van de andere (bit "nul") te vergroten.

Valleytronics wordt nu actief beschouwd als een ander nieuw paradigma voor informatieverwerking, in navolging van zijn voorgangers, "elektronica" en "spintronica". Valleytronics omvat het manipuleren van het momentum van het elektron, die afhangt van tot welke van de twee ongelijkwaardige valleien (zie figuur) het elektron behoort.

2-D overgangsmetaal dichalcogeniden (TMD's) die geen inversiesymmetrie hebben, zijn bijzonder veelbelovend voor valleytronics, omdat de vrijheidsgraden spin en dal onlosmakelijk met elkaar verbonden zijn. Dit houdt in dat een extern magnetisch veld kan worden gebruikt als een knop om de stabiliteit van de ene vallei boven de andere af te stemmen om bits te onderscheiden. Verder, de bits kunnen worden gelezen met behulp van optische metingen. Dit komt omdat licht dat circulair is gepolariseerd in de richting van de klok alleen kan worden geabsorbeerd en uitgezonden vanuit een van deze valleien, en vice versa voor licht dat circulair is gepolariseerd tegen de klok in. De samenvloeiing van deze intrigerende eigenschappen heeft geleid tot veel experimentele pogingen om de respons van TMD's op externe magnetische velden te meten.

De kwantummechanica zegt dat wanneer een extern magnetisch veld wordt toegepast op een periodiek kristal, de oorspronkelijke elektronische toestanden reorganiseren om gekwantiseerde niveaus te vormen, genaamd Landau-niveaus, die aanleiding geven tot het kwantum Hall-effect, waarbij de Hall-geleiding gekwantiseerde waarden aanneemt. Tegelijkertijd, de energieniveaus verschuiven ook lineair met de aangelegde magnetische veldsterkte, in wat bekend staat als het Zeeman-effect.

In dit werk, Prof Quek Su Ying van het departement Natuurkunde, NUS en haar postdoctorale fellow, Dr. Xuan Fengyuan, gebouwd op een aanpak die in 1951 is ontwikkeld door de beroemde natuurkundige, JM Luttinger, om uitdrukkingen af ​​te leiden voor de energieniveaus van 2-D TMD's in de aanwezigheid van een zwak extern magnetisch veld. De resulterende uitdrukkingen legden zowel de Landau-niveaus als het Zeeman-effect op gelijke voet vast en gebruiken een volledig algemene Hamiltoniaan in tegenstelling tot eerdere studies, en de resulterende energieniveaus zijn in goede kwantitatieve overeenstemming met de Landau-niveaus voorspeld op basis van optische metingen.

De kwantummechanische berekeningen laten voor het eerst zien dat niet-lokale veel-lichaamseffecten belangrijk zijn om het experimenteel waargenomen Zeeman-effect van tussenlaagse exciton-energieën in getwiste dubbellaagse TMD's te verklaren. De onderzoekers voorspelden ook dat elk Landau-niveau wordt geassocieerd met een unieke elektronenspin- en vallei-index, wat duidelijk het potentieel van deze 2D-materialen voor valleytronic-toepassingen aantoont.

Prof Quek zei:"Deze ontwikkeling is een broodnodige stap in de richting van een beter begrip van de effecten van magnetische velden op 2-D TMD's. Dit is van cruciaal belang om een ​​rationeel ontwerp en controle van de relatieve stabiliteit van de twee logische bits in valleytronics-toepassingen voor 2- D TMD's en hun heterostructuren. Er is nog veel te onderzoeken om een ​​vollediger begrip te krijgen van de complexe interacties van elektronen met magnetische velden in deze intrigerende 2D-materialen."