Snabbare, mer effektiv datalagring och datalogik kan vara på gång tack vare ett nytt sätt att ställa in elektroniska energinivåer i tvådimensionella filmer av kristall, upptäckt av forskare vid MIT.

Upptäckten kan i slutändan bana väg för utveckling av så kallade "valleytronic" -enheter, som utnyttjar hur elektroner samlas kring två lika energistatus, känd som dalar.

Ingenjörer har under en tid varnat för att vi når gränserna för hur små vi kan bygga konventionella elektroniska transistorer, som är baserade på elektroners elektriska laddning.

Som ett resultat, forskare har undersökt nyttan av en egenskap hos elektroner som kallas spin, att lagra och manipulera data; sådan teknik är känd som spintronics.

Men förutom deras laddning och snurr, elektroner i material har också en annan "frihetsgrad, "känt som dalindexet. Detta är så kallat eftersom plottning av elektronernas energi i förhållande till deras momentum resulterar i en graf som består av en kurva med två dalar, som befolkas av elektroner när de rör sig genom ett material.

Att utnyttja denna grad av frihet kan göra det möjligt att lagra och bearbeta information i vissa material genom att selektivt fylla i de två dalarna med elektroner.

Dock, För att utveckla sådana valleytronic -enheter krävs ett system för att selektivt styra elektronerna i de två dalarna, som hittills har visat sig vara mycket svårt att uppnå.

Nu, i ett papper publicerat idag i tidningen Vetenskap , forskare under ledning av Nuh Gedik, docent i fysik vid MIT, beskriva ett nytt sätt att använda laserljus för att styra elektronerna i båda dalarna oberoende av varandra, inom atomärt tunna kristaller av volframdisulfid.

"De två dalarna har exakt samma energinivå, vilket inte nödvändigtvis är det bästa för applikationer eftersom du vill kunna ställa in dem, att ändra energin något så att elektronerna kommer att flytta [från det högre] till det lägre energitillståndet, "Säger Gedik.

Även om detta kan uppnås genom att applicera ett magnetfält, även mycket kraftfulla laboratoriemagneter med en styrka på 10 tesla kan bara förskjuta dalenerginivån med cirka 2 millielektronvolt (meV).

Forskarna har tidigare visat att genom att rikta en ultrasnabb laserpuls, inställd på en frekvens mycket något under materialets resonans, de kunde flytta energin i en av dalarna genom en effekt som kallas "optisk Stark -effekt, "medan de lämnade den andra dalen praktiskt taget oförändrade. På så sätt kunde de uppnå en förändring i energinivån på upp till 20 meV.

"Ljuset och elektronerna inuti materialet bildar en typ av hybridtillstånd, vilket hjälper till att driva energinivåerna runt, "Säger Gedik.

I det senaste experimentet, forskarna upptäckte att genom att justera laserfrekvensen till ännu längre under resonans, och ökar dess intensitet, de kunde samtidigt förskjuta energinivåerna i båda dalarna och avslöja ett mycket sällsynt fysiskt fenomen.

Medan en dal fortfarande skiftar till följd av det optiska Stark -skiftet som tidigare, den andra dalen skiftar genom en annan mekanism, känd som "Bloch-Siegert-skiftet, "enligt MIT -fysik doktorand Edbert Jarvis Sie, tidningens huvudförfattare.

Även om Bloch-Siegert-skiftet först förutspåddes 1940, och kort därefter hjälpte Willis Lamb till hans Nobelprisvinnande upptäckt 1955 av lammskiftet i väteatomer, det har förblivit en stor utmaning att observera det experimentellt i fasta ämnen.

Verkligen, bortsett från så kallade artificiella atomer, den nya mekanismen har aldrig observerats i fasta ämnen förrän nu, eftersom de resulterande skiftningarna var för små, Säger Sie. Experimentet som utfördes på Gedik Lab gav ett Bloch-Siegert-skift på 10 meV, som är 1, 000 gånger större än det som tidigare setts.

Vad mer, de två effekterna-Bloch-Siegert-skiftet och det optiska Stark-skiftet-har tidigare tenderat att ske i samma optiska övergång, vilket betyder att forskare har haft svårt att koppla bort de två mekanismerna, Säger Sie.

"I vårt arbete kan vi avlägsna de två mekanismerna mycket naturligt, för medan en dal uppvisar det optiska Stark -skiftet, den andra dalen uppvisar Bloch-Siegert-skiftet, "Sie säger." Detta kan fungera så fint i det här materialet eftersom de två mekanismerna har ett liknande förhållande till de två dalarna. De är besläktade med vad som kallas tidsomvändningssymmetri. "

Detta bör möjliggöra förbättrad kontroll över valleytroniska egenskaper i tvådimensionella material, Nuh säger. "Det kan ge dig mer frihet att ställa in de elektroniska dalarna, " han säger.