Elektronen in materialen hebben een eigenschap die bekend staat als 'spin, " die verantwoordelijk is voor een verscheidenheid aan eigendommen, de meest bekende daarvan is magnetisme. Permanente magneten, zoals die gebruikt worden voor koelkastdeuren, hebben alle spins in hun elektronen in dezelfde richting uitgelijnd. Wetenschappers noemen dit gedrag ferromagnetisme, en het onderzoeksveld van het proberen om spin te manipuleren als spintronica.

Beneden in de kwantumwereld, spins kunnen op meer exotische manieren worden gerangschikt, wat aanleiding geeft tot gefrustreerde staten en verstrengelde magneten. interessant, een eigenschap vergelijkbaar met spin, bekend als "de vallei, " komt voor in grafeenmaterialen. Deze unieke eigenschap heeft geleid tot het gebied van valleytronics, die tot doel heeft het eigendom van de vallei te exploiteren voor opkomende fysica en informatieverwerking, heel erg zoals spintronica vertrouwt op pure spinfysica.

"Valleytronics zou mogelijk het coderen van informatie in de vrijheidsgraad van de kwantumvallei mogelijk maken, vergelijkbaar met hoe elektronica het doet met lading en spintronica met de spin." Legt professor Jose Lado uit, van Aalto's afdeling toegepaste natuurkunde, en een van de auteurs van het werk. "Bovendien, Valleytronic-apparaten zouden een dramatische verhoging van de verwerkingssnelheden bieden in vergelijking met elektronica, en met een veel hogere stabiliteit ten opzichte van magnetische veldruis in vergelijking met spintronische apparaten."

Constructies gemaakt van gedraaid, ultradunne materialen bieden een rijk solid-state platform voor het ontwerpen van nieuwe apparaten. Vooral, Van licht verwrongen grafeenlagen is onlangs aangetoond dat ze opwindende onconventionele eigenschappen hebben, dat kan uiteindelijk leiden tot een nieuwe familie van materialen voor kwantumtechnologieën. Deze onconventionele toestanden die al worden onderzocht, zijn afhankelijk van elektrische lading of spin. De open vraag is of de vallei ook kan leiden tot zijn eigen familie van opwindende staten.

Materialen maken voor valleytronics

Voor dit doel, het blijkt dat conventionele ferromagneten een cruciale rol spelen, grafeen naar het rijk van de dalfysica duwen. In een recent werk, doctoraat leerling Tobias Wolf, samen met prof. Oded Zilberberg en Gianni Blatter bij ETH Zürich, en prof. Jose Lado aan de universiteit van Aalto, toonde een nieuwe richting voor gecorreleerde fysica in magnetische van der Waals-materialen.

Het team toonde aan dat het sandwichen van twee licht geroteerde lagen grafeen tussen een ferromagnetische isolator een unieke setting biedt voor nieuwe elektronische toestanden. De combinatie van ferromagneten, de twist-engineering van grafeen, en relativistische effecten dwingen de eigenschap "vallei" om het elektronengedrag in het materiaal te domineren. Vooral, de onderzoekers lieten zien hoe deze toestanden die alleen in de vallei liggen elektrisch kunnen worden afgestemd, het bieden van een materiaalplatform waarin alleen valleien kunnen worden gegenereerd. Voortbouwend op de recente doorbraak in spintronica en van der Waals-materialen, valleifysica in magnetische gedraaide van der Waals-multilagen opent de deur naar het nieuwe rijk van gecorreleerde gedraaide valleitronica.

"Het demonstreren van deze staten vormt het startpunt voor nieuwe exotische verstrengelde valleistaten." zei professor Lado, "Uiteindelijk, het engineeren van deze valleistaten kan het mogelijk maken om kwantumverstrengelde valleivloeistoffen en fractionele kwantumvallei Hall-toestanden te realiseren. Deze twee exotische toestanden van materie zijn nog niet in de natuur gevonden, en zou opwindende mogelijkheden openen voor een potentieel nieuw op grafeen gebaseerd platform voor topologische kwantumcomputing."

De krant, "Spontane valleispiralen in magnetisch ingekapseld gedraaid dubbellaags grafeen" is gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .