Yoshihiro Iwasa och kollegor från RIKEN Center for Emergent Matter Science, University of Tokyo och Hiroshima University har upptäckt att ultratunna filmer av ett halvledande material har egenskaper som ligger till grund för en ny typ av lågeffektelektronik, kallad 'valleytronics'.

Elektronikkomponenter, överföra och behandla information med hjälp av den elektriska laddningen av en elektron. Användning av avgifter, dock, kräver fysiskt rörliga elektroner från en punkt till en annan, som kan förbruka mycket energi, särskilt i datorprogram. Forskare söker därför efter sätt att utnyttja andra egenskaper hos elektroner, till exempel elektronens "snurr", som databärare i hopp om att detta kommer att leda till enheter som förbrukar mindre ström.

Valleytronics är baserat på elektronernas kvantbeteende när det gäller materialets elektroniska bandstruktur. "Halvledare och isolatorer härleder sina elektriska egenskaper från ett gap mellan det högsta bandet som upptas av elektroner, känd som valensbandet, och det lägsta obebodda bandet eller 'ledningsbandet' i bandstrukturen, "förklarar Iwasa." Om det finns två eller flera fall i ledningsbandet eller toppar i valensbandet, vi säger att bandstrukturen innehåller dalar. "

Att använda elektronens dalegenskap för att koda information utan fysiskt rörliga elektroner är valleytronics centrala princip. Iwasa och hans arbetskamrater kombinerade teoretiska beräkningar med en experimentell spinn- och vinkelupplöst fotoelektronspektroskopiteknik för att identifiera sådana dalar i bandstrukturen i ett ultratunt lager av molybden-disulfid som bara är några atomer tjockt.

Molybdendisulfid är en medlem av en familj av material som kallas övergångsmetalldykalkogenider, som för närvarande är i fokus för intensiv forskning på grund av de ovanliga elektroniska egenskaperna som de visar när de förbereds i tvådimensionella lager. Iwasa och hans team skapade filmer som består av ett till fyra atomlager av molybdendisulfid. De flesta tidigare studier av detta material fokuserade på filmer där varje lager är spegelbilden av den nedan. Istället, atomerna i varje molybden-disulfidskikt i filmerna som skapades av Iwasas team förskjutits något från dem i den tvådimensionella nivån nedan (fig. 1). Denna brytning av filmens symmetri innebar att forskarna också kunde utnyttja elektronernas snurr. "Vi avslöjade en stark koppling mellan dalen och spinngraderna av frihet, säger Iwasa.

Forskarna hoppas kunna demonstrera valleytronics -prototyper baserade på molybden -disulfid och att utforska andra material med valleytronic -funktioner för att utvidga valleytronics gräns.