Onderzoekers van de National University of Singapore hebben voorspeld dat Landau-niveaus die behoren tot verschillende valleien in een tweedimensionaal (2D) valleytronic-materiaal, monolaag wolfraamdiselenide (WSe₂ ), kan worden uitgelijnd op een kritisch magnetisch veld.

De uitlijning van verschillende entiteiten, zoals twee laserstralen of twee pilaren, is een gemeenschappelijk doel op veel gebieden van wetenschap en techniek. In de meer exotische wereld van de kwantummechanica kan de uitlijning van gekwantiseerde elektronische niveaus de creatie mogelijk maken van deeltjes die pseudo-spinors worden genoemd en die nuttig zijn voor kwantumcomputertoepassingen.

Gekwantiseerde elektronische niveaus ontstaan ​​wanneer een magnetisch veld wordt toegepast op een 2D-materiaal. Deze niveaus worden Landau-niveaus genoemd. Van bijzonder belang zijn Landau-niveaus in valleytronic-materialen. Valleytronic-materialen zijn materialen waarin men niet alleen de lading of spin van een elektron kan controleren, maar ook de "vallei" waartoe het elektron behoort. Over het algemeen reizen ladingdragers in verschillende valleien in tegengestelde richtingen.

In dit werk ontwikkelde het onderzoeksteam onder leiding van universitair hoofddocent Quek Su Ying van het Department of Physics, National University of Singapore een benadering om rekening te houden met het effect van dynamische elektron-elektron-interacties bij het voorspellen van de energieniveaus in valleytronic-materialen in de aanwezigheid van een magnetisch veld. Hun voorspellingen toonden aan dat deze interacties tussen veel lichamen de effecten van een magnetisch veld op de materialen versterkten door een verschuiving in hun energieniveaus te veroorzaken. Bij toepassing op enkellaagse WSe₂ , bleken de computationele resultaten in kwantitatieve overeenstemming te zijn met experimentele literatuur, wat de nieuwe aanpak valideerde. Deze versterking wordt gekwantificeerd door een verhoging van de zogenaamde Landé g-factoren.

Het team merkte op dat de verbetering van de g-factoren het gevolg was van een verandering in de populatie van ladingsdragers in elke vallei, als reactie op een verandering in het magnetische veld. Wanneer het magnetische veld echter voldoende sterk is zodat alle dragers zich in dezelfde vallei bevinden (alle dragers verplaatsen zich naar de blauwe vallei in de afbeelding hierboven), kan deze verandering in de dragerpopulatie niet meer plaatsvinden en nemen de g-factoren af abrupt. Bij dit kritische magnetische veld kunnen de ladingsdragers heen en weer oscilleren tussen de twee valleien en dit kan leiden tot de uitlijning van Landau-niveaus in de twee valleien.

Dr. Xuan Fengyuan, een postdoctoraal onderzoeker in het onderzoeksteam, zei:"Vanwege de grote g-factoren die aanwezig zijn in WSe₂ , de voorspelde kritische magnetische velden zijn klein, dus dit effect kan worden gerealiseerd in standaardlaboratoria."

"Vergeleken met eerdere voorstellen is de uitlijning van Landau-niveaus die in dit werk wordt voorspeld, robuust tegen fluctuaties in de dragerdichtheid. Recente waarnemingen van fractionele quantum Hall-toestanden in 2D WSe₂ suggereren de mogelijkheid om Landau-niveau-uitlijning te gebruiken als een middel om topologische kwantumcomputertoepassingen mogelijk te maken, "voegde Prof Quek toe. + Verken verder

Voorspellingen van magnetische veldrespons in 2D-valleitronicamaterialen