Forudsigelser af magnetfeltrespons i 2-D valleytronics-materialer

NUS-forskere har udviklet en parameterfri tilgang til kvantitativt at forudsige responsen af ​​todimensionale (2-D) valleytronics-materialer på et eksternt magnetfelt. Disse forudsigelser er vigtige, fordi de giver indsigt i virkningerne af mange legemer i en fascinerende egenskab ved disse materialer, der gør det muligt for magnetfeltet at øge stabiliteten af ​​den ene dal (bit "den ene") frem for den anden (bit "nul").

Valleytronics betragtes nu aktivt som endnu et nyt paradigme for informationsbehandling, efter sine forgængere, "elektronik" og "spintronics." Valleytronics involverer manipulering af elektronens momentum, som afhænger af hvilken af ​​to ækvivalente dale (se figur) elektronen tilhører.

2-D-overgangsmetaldichalcogenider (TMD'er), der mangler inversionssymmetri, er særligt lovende for valleytronics, fordi spin og dal frihedsgrader er uløseligt forbundet. Dette indebærer, at et eksternt magnetfelt kan bruges som en knap til at indstille stabiliteten af ​​en dal over den anden for at skelne bits. Desuden, bitene kan aflæses ved hjælp af optiske målinger. Dette skyldes, at lys, der er cirkulært polariseret i urets retning, kun kan absorberes og udsendes fra en af ​​disse dale, og omvendt for lys, der er cirkulært polariseret i retning mod uret. Sammensmeltningen af ​​disse spændende egenskaber har resulteret i mange eksperimentelle bestræbelser på at måle responsen af ​​TMD'er på eksterne magnetfelter.

Kvantemekanik siger, at når et eksternt magnetisk felt påføres en periodisk krystal, de originale elektroniske tilstande reorganiserer sig til at danne kvantiserede niveauer, kaldet Landau -niveauer, som giver anledning til quantum Hall -effekten, hvor Hall -konduktansen indtager kvantiserede værdier. På samme tid, energiniveauerne skifter også lineært med den anvendte magnetfeltstyrke, i det, der er kendt som Zeeman -effekten.

I dette arbejde, Prof Quek Su Ying fra Institut for Fysik, NUS og hendes postdoktor, Dr. Xuan Fengyuan, bygget på en tilgang udviklet i 1951 af den kendte fysiker, J.M. Luttinger, at udlede udtryk for energiniveauerne for 2-D TMD'er i nærvær af et svagt eksternt magnetfelt. De resulterende udtryk fangede både Landau -niveauerne og Zeeman -effekten på lige fod og bruger en fuldstændig generel Hamiltonian i modsætning til tidligere undersøgelser, og de resulterende energiniveauer er i god kvantitativ overensstemmelse med Landau -niveauerne forudsagt af optiske målinger.

De kvantemekaniske beregninger viser for første gang, at ikke-lokale mangekropseffekter er vigtige for at forklare den eksperimentelt observerede Zeeman-effekt af mellemlags exciton-energier i snoede dobbeltlags-TMD'er. Forskerne forudsagde også, at hvert Landau -niveau er forbundet med et unikt elektronspind og dalindeks, hvilket klart viser potentialet for disse 2-D materialer til valleytronic applikationer.

Prof Quek sagde, "Denne udvikling er et tiltrængt skridt i retning af at opnå en klarere forståelse af virkningerne af magnetfelter på 2-D TMD'er. Dette er afgørende for at muliggøre rationelt design og kontrol af den relative stabilitet af de to logiske bits i valleytronics-applikationer til 2- D TMD'er og deres heterostrukturer. Der er stadig meget at undersøge for at få en mere fuldstændig forståelse af elektronernes komplekse interaktioner med magnetfelter i disse spændende 2-D-materialer. "