Elektroner i material har en egenskap som kallas 'spin, "som ansvarar för en mängd olika fastigheter, den mest kända av dem är magnetism. Permanenta magneter, som de som används för kylskåpsdörrar, har alla spinn i sina elektroner i samma riktning. Forskare kallar detta beteende ferromagnetism, och forskningsfältet att försöka manipulera spinn som spintronik.

Nere i kvantvärlden, snurr kan ordnas på mer exotiska sätt, ger upphov till frustrerade tillstånd och intrasslade magneter. Intressant, en egenskap som liknar spinn, känd som "dalen, " förekommer i grafenmaterial. Denna unika egenskap har gett upphov till området valleytronics, som syftar till att exploatera dalegendomen för framväxande fysik och informationsbehandling, mycket som spintronics bygger på ren spinnfysik.

"Valleytronics skulle potentiellt tillåta kodning av information i kvantdalens frihetsgrad, liknande hur elektronik gör det med laddning och spintronik med spinn." Förklarar professor Jose Lado, från Aaltos institution för tillämpad fysik, och en av författarna till verket. "Vad mer, valleytronic-enheter skulle erbjuda en dramatisk ökning av bearbetningshastigheterna i jämförelse med elektronik, och med mycket högre stabilitet mot magnetfältsbrus jämfört med spintroniska enheter."

Strukturer gjorda av roterade, ultratunna material ger en rik solid state-plattform för att designa nya enheter. Särskilt, lätt vridna grafenlager har nyligen visat sig ha spännande okonventionella egenskaper, som i slutändan kan leda till en ny familj av material för kvantteknik. Dessa okonventionella tillstånd som redan undersöks beror på elektrisk laddning eller spinn. Den öppna frågan är om dalen också kan leda till en egen familj av spännande stater.

Tillverkning av material för valleytronics

För detta mål, det visar sig att konventionella ferromagneter spelar en viktig roll, driver grafen till dalfysikens rike. I ett nyligen utfört arbete, Ph.D. student Tobias Wolf, tillsammans med Profs. Oded Zilberberg och Gianni Blatter vid ETH Zürich, och prof. Jose Lado vid Aalto-universitetet, visade en ny riktning för korrelerad fysik i magnetiska van der Waals-material.

Teamet visade att att lägga två lätt roterade lager av grafen mellan en ferromagnetisk isolator ger en unik miljö för nya elektroniska tillstånd. Kombinationen av ferromagneter, grafens twist engineering, och relativistiska effekter tvingar egenskapen "dal" att dominera elektronernas beteende i materialet. Särskilt, forskarna visade hur dessa dallägen kan ställas in elektriskt, tillhandahålla en materialplattform där endast daltillstånd kan genereras. Bygger på det senaste genombrottet inom spintronics och van der Waals-material, dalfysik i magnetiska vridna van der Waals flerskikt öppnar dörren till den nya sfären av korrelerad vriden valleytronik.

"Att demonstrera dessa stater representerar startpunkten mot nya exotiska intrasslade dalstater." Sa professor Lado, "I sista hand, konstruktion av dessa daltillstånd kan möjliggöra realisering av kvanttrasslade dalvätskor och fraktionerade kvantdalstillstånd. Dessa två exotiska tillstånd av materia har inte hittats i naturen ännu, och skulle öppna spännande möjligheter mot en potentiellt ny grafenbaserad plattform för topologisk kvantberäkning."

Pappret, "Spontana dalspiraler i magnetiskt inkapslad twisted bilayer graphene" publiceras i tidskriften Fysiska granskningsbrev .