Yoshihiro Iwasa en collega's van het RIKEN Center for Emergent Matter Science, de Universiteit van Tokio en de Universiteit van Hiroshima hebben ontdekt dat ultradunne films van een halfgeleidend materiaal eigenschappen hebben die de basis vormen voor een nieuw soort elektronica met laag vermogen, 'valleytronica' genoemd.

Elektronische componenten winkel, informatie verzenden en verwerken met behulp van de elektrische lading van een elektron. Het gebruik van lading, echter, vereist fysiek bewegende elektronen van het ene punt naar het andere, die veel energie kunnen verbruiken, vooral in computertoepassingen. Onderzoekers zoeken daarom naar manieren om andere eigenschappen van elektronen te benutten, zoals de 'spin' van een elektron, als gegevensdragers in de hoop dat dit zal leiden tot apparaten die minder stroom verbruiken.

Valleytronics is gebaseerd op het kwantumgedrag van elektronen in termen van de elektronische bandstructuur van een materiaal. "Halfgeleiders en isolatoren ontlenen hun elektrische eigenschappen aan een opening tussen de hoogste band die wordt ingenomen door elektronen, bekend als de valentieband, en de laagste onbezette band of 'geleidingsband' in de bandstructuur, " legt Iwasa uit. "Als er twee of meer dalingen in de geleidingsband of pieken in de valentieband zijn, we zeggen dat de bandstructuur valleien bevat."

Het gebruik van deze vallei-eigenschap van elektronen om informatie te coderen zonder fysiek bewegende elektronen is het centrale principe van valleytronics. Iwasa en zijn medewerkers combineerden theoretische berekeningen met een experimentele spin- en hoek-opgeloste foto-elektronspectroscopietechniek om dergelijke valleien te identificeren in de bandstructuur van een ultradunne laag molybdeendisulfide van slechts enkele atomen dik.

Molybdeendisulfide is een lid van een familie van materialen die bekend staat als overgangsmetaaldichalcogeniden, die momenteel de focus zijn van intensief onderzoek vanwege de ongebruikelijke elektronische eigenschappen die ze vertonen wanneer ze in tweedimensionale lagen worden voorbereid. Iwasa en zijn team maakten films die bestonden uit één tot vier atoomlagen van molybdeendisulfide. De meeste eerdere studies van dit materiaal waren gericht op films waarin elke laag het spiegelbeeld is van die eronder. In plaats daarvan, de atomen in elke molybdeendisulfidelaag in de films gemaakt door Iwasa's team waren enigszins verschoven van die in het tweedimensionale niveau eronder (figuur 1). Door het doorbreken van de symmetrie van de film konden de onderzoekers ook de spin van elektronen benutten. "We hebben een sterke koppeling ontdekt tussen de vallei en de vrijheidsgraden van de spin, ' zegt Iwasa.

De onderzoekers hopen prototypes van valleytronics op basis van molybdeendisulfide te demonstreren en andere materialen met valleytronic-functies te verkennen om de grens van valleytronics te verleggen.