NUS-forskare har utvecklat ett parameterfritt tillvägagångssätt för att kvantitativt förutsäga svaret av tvådimensionella (2-D) valleytronics-material på ett externt magnetfält. Dessa förutsägelser är viktiga eftersom de ger insikter om många kroppseffekter i en fascinerande egenskap hos dessa material som gör det möjligt för magnetfältet att öka stabiliteten hos en dal (bit "en") över den andra (bit "noll").

Valleytronics betraktas nu aktivt som ytterligare ett nytt paradigm för informationsbehandling, efter sina föregångare, "elektronik" och "spintronik". Valleytronics innebär att man manipulerar elektronens momentum, som beror på vilken av två ojämlika dalar (se figur) elektronen tillhör.

2-D-övergångsmetalldikalkogenider (TMD) som saknar inversionssymmetri är särskilt lovande för valleytronics, eftersom spin- och dalgraderna av frihet är oupplösligt sammanlänkade. Detta innebär att ett externt magnetfält kan användas som en ratt för att justera stabiliteten i en dal över den andra för att skilja bitar. Vidare, bitarna kan avläsas med hjälp av optiska mätningar. Detta beror på att ljus som är cirkulärt polariserat medurs bara kan absorberas och avges från en av dessa dalar, och vice versa för ljus som är cirkulärt polariserat moturs. Sammankomsten av dessa spännande egenskaper har resulterat i många experimentella ansträngningar för att mäta TMD:s svar på yttre magnetfält.

Kvantmekanik säger att när ett externt magnetfält appliceras på en periodisk kristall, de ursprungliga elektroniska tillstånden omorganiseras för att bilda kvantiserade nivåer, kallas Landau -nivåer, som ger upphov till quantum Hall -effekten, där Hallkonduktansen tar kvantiserade värden. På samma gång, energinivåerna skiftar också linjärt med den applicerade magnetfältstyrkan, i det som kallas Zeeman -effekten.

I det här arbetet, Prof Quek Su Ying från Institutionen för fysik, NUS och hennes postdoktor, Dr Xuan Fengyuan, byggt på ett tillvägagångssätt utvecklat 1951 av den kända fysikern, J.M. Luttinger, att härleda uttryck för energinivåerna för 2-D TMD i närvaro av ett svagt externt magnetfält. De resulterande uttrycken fångade både Landau -nivåerna och Zeeman -effekten på lika villkor och använder en helt generell Hamiltonian i motsats till tidigare studier, och de resulterande energinivåerna är i god kvantitativ överensstämmelse med Landau -nivåerna som förutses från optiska mätningar.

De kvantmekaniska beräkningarna visar för första gången att icke-lokala mångkroppseffekter är viktiga för att förklara den experimentellt observerade Zeeman-effekten av exciton-energier mellan lager i vridna tvåskikts-TMD. Forskarna förutspådde också att varje Landau -nivå är associerad med ett unikt elektronspinn och dalindex, vilket tydligt visar potentialen hos dessa 2-D-material för valleytronic-applikationer.

Prof Quek sa:"Denna utveckling är ett välbehövligt steg för att uppnå en tydligare förståelse av effekterna av magnetfält på 2-D TMD:er. Detta är avgörande för att möjliggöra rationell design och kontroll av den relativa stabiliteten för de två logiska bitarna i valleytronics-applikationer för 2- D TMD och deras heterostrukturer. Det finns fortfarande mycket att utforska för att få en mer fullständig förståelse av elektronernas komplexa interaktioner med magnetfält i dessa spännande 2-D-material. "