Ny måde at indstille elektroniske energiniveauer på kan føre til valleytronic -enheder

Hurtigere, mere effektiv datalagring og computerlogiksystemer kunne være i horisonten takket være en ny måde at indstille elektroniske energiniveauer i todimensionale film af krystal, opdaget af forskere ved MIT.

Opdagelsen kunne i sidste ende bane vejen for udviklingen af ​​såkaldte "valleytronic" -apparater, som udnytter måden, hvorpå elektroner samles omkring to ens energistater, kendt som dale.

Ingeniører har i nogen tid advaret om, at vi når grænserne for, hvor lille vi kan bygge konventionelle elektroniske transistorer, som er baseret på elektroners elektriske ladning.

Som resultat, forskere har undersøgt nytten af ​​en egenskab af elektroner kendt som spin, at gemme og manipulere data sådanne teknologier er kendt som spintronics.

Men såvel deres ladning og spin, elektroner i materialer har også en anden "frihedsgrad, "kendt som dalindekset. Dette er såkaldt, fordi afbildning af elektroners energi i forhold til deres momentum resulterer i en graf, der består af en kurve med to dale, som befolket af elektroner, når de bevæger sig gennem et materiale.

Udnyttelse af denne grad af frihed kunne tillade information at blive lagret og behandlet i nogle materialer ved selektivt at befolke de to dale med elektroner.

Imidlertid, udvikling af sådanne valleytronic -enheder kræver et system til selektivt at styre elektronerne i de to dale, hvilket hidtil har vist sig meget svært at opnå.

Nu, i en artikel offentliggjort i dag i tidsskriftet Videnskab , forskere ledet af Nuh Gedik, en lektor i fysik ved MIT, beskrive en ny måde at bruge laserlys til at styre elektronerne i begge dale uafhængigt, inden for atom tynde krystaller af wolframdisulfid.

"De to dale er nøjagtigt på samme energiniveau, hvilket ikke nødvendigvis er det bedste for applikationer, fordi du vil være i stand til at tune dem, at ændre energien lidt, så elektronerne bevæger sig [fra den højere] til den lavere energitilstand, "Siger Gedik.

Selvom dette kan opnås ved at anvende et magnetfelt, selv meget kraftige laboratoriemagneter med en styrke på 10 tesla er kun i stand til at flytte dalens energiniveau med omkring 2 millielektronvolt (meV).

Forskerne har tidligere vist, at ved at styre en ultrahurtig laserpuls, indstillet til en frekvens meget lidt under materialets resonans, de var i stand til at flytte energien i en af ​​dalene gennem en effekt kaldet den "optiske Stark-effekt, "mens de forlod den anden dal stort set uændret. På denne måde var de i stand til at opnå et skift i energiniveau på op til 20 meV.

"Lyset og elektronerne inde i materialet danner en type hybrid tilstand, som hjælper med at presse energiniveauerne rundt, " siger Gedik.

I det seneste eksperiment, forskerne opdagede, at ved at indstille laserfrekvensen til endnu længere under resonans, og øger dens intensitet, de var i stand til samtidigt at ændre energiniveauerne i begge dale og afsløre et meget sjældent fysisk fænomen.

Mens en dal stadig skifter som et resultat af det optiske Stark-skift som før, den anden dal skifter gennem en anden mekanisme, kendt som "Bloch-Siegert-skiftet, "ifølge MIT -fysik -ph.d. -studerende Edbert Jarvis Sie, avisens hovedforfatter.

Selvom Bloch-Siegert-skiftet først blev forudsagt i 1940, og kort efter hjalp han med at inspirere Willis Lamb til hans 1955 Nobelprisvindende opdagelse af Lamb-skiftet i brintatomer, det har været en betydelig udfordring at observere det eksperimentelt i faste stoffer.

Ja, bortset fra såkaldte kunstige atomer, den nye mekanisme er aldrig blevet observeret i faste stoffer før nu, fordi de resulterende skift var for små, Sie siger. Eksperimentet udført på Gedik Lab producerede et Bloch-Siegert skift på 10 meV, som er 1, 000 gange større end tidligere set.

Hvad mere er, de to effekter - Bloch-Siegert-skiftet og det optiske Stark-skifte - har tidligere haft en tendens til at finde sted i den samme optiske overgang, hvilket betyder, at forskere har haft svært ved at adskille de to mekanismer, Sie siger.

"I vores arbejde kan vi adskille de to mekanismer meget naturligt, fordi mens en dal udviser det optiske Stark -skift, den anden dal viser Bloch-Siegert-skiftet, "Sie siger." Dette kan fungere så fint i dette materiale, fordi de to mekanismer har et lignende forhold til de to dale. De hænger sammen med det, der kaldes tidsomvendt symmetri. "

Dette bør muliggøre øget kontrol over valleytroniske egenskaber i todimensionale materialer, Nuh siger. "Det kunne give dig mere frihed til at indstille de elektroniske dale, " han siger.