Udnyttelse af en usædvanlig dalen kvanteegenskab af elektroner

Yoshihiro Iwasa og kolleger fra RIKEN Center for Emergent Matter Science, University of Tokyo og Hiroshima University har opdaget, at ultratynde film af et halvledende materiale har egenskaber, der danner grundlag for en ny form for laveffektelektronik, betegnet 'valleytronics'.

Elektroniske komponenter, transmittere og behandle information ved hjælp af en elektrons elektriske ladning. Brug af gebyrer, imidlertid, kræver fysisk bevægelige elektroner fra et punkt til et andet, som kan forbruge en masse energi, især inden for computerapplikationer. Forskere leder derfor efter måder at udnytte andre egenskaber ved elektroner, såsom elektronens 'spin' som databærere i håb om, at dette vil føre til enheder, der bruger mindre strøm.

Valleytronics er baseret på elektroners kvanteadfærd med hensyn til et materiales elektroniske båndstruktur. "Halvledere og isolatorer udleder deres elektriske egenskaber fra et hul mellem det højeste bånd optaget af elektroner, kendt som valencebandet, og det laveste ledige bånd eller 'ledningsbånd' i båndstrukturen, "forklarer Iwasa." Hvis der er to eller flere fald i ledningsbåndet eller toppe i valensbåndet, vi siger, at båndstrukturen indeholder dale. "

Brug af elektronens dalegenskab til at kode oplysninger uden elektronisk bevægelige elektroner er valleytronics centrale grundsæt. Iwasa og hans kolleger kombinerede teoretiske beregninger med en eksperimentel spin- og vinkelopløst fotoelektronspektroskopiteknik for at identificere sådanne dale i båndstrukturen i et ultratyndt lag molybdendisulfid med kun et par atomer tykke.

Molybdendisulfid er medlem af en familie af materialer kendt som overgangsmetaldichalcogenider, som i øjeblikket er i fokus for intens forskning på grund af de usædvanlige elektroniske egenskaber, de viser, når de fremstilles i todimensionale lag. Iwasa og hans team skabte film bestående af et til fire atomlag af molybdendisulfid. De fleste tidligere undersøgelser af dette materiale fokuserede på film, hvor hvert lag er spejlbilledet af det nedenfor. I stedet, atomerne i hvert molybdendisulfidlag i filmene, der blev skabt af Iwasas team, blev lidt forskudt fra dem i det todimensionale niveau nedenunder (fig. 1). Denne brud på filmens symmetri betød, at forskerne også var i stand til at udnytte elektronernes spin. "Vi afdækkede en stærk kobling mellem dalen og spin frihedsgrader, "siger Iwasa.

Forskerne håber at demonstrere valleytronics -prototyper baseret på molybdendisulfid og at udforske andre materialer med valleytronic -funktioner for at udvide grænsen til valleytronics.