I ricercatori del NUS hanno sviluppato un approccio privo di parametri per prevedere quantitativamente la risposta dei materiali bidimensionali (2D) della valleytronica a un campo magnetico esterno. Queste previsioni sono importanti perché forniscono approfondimenti sugli effetti a molti corpi in un'affascinante proprietà di questi materiali che consente al campo magnetico di aumentare la stabilità di una valle (bit "uno") rispetto all'altro (bit "zero").

Valleytronics è ora attivamente considerato come un altro nuovo paradigma per l'elaborazione delle informazioni, dopo i suoi predecessori, "elettronica" e "spintronica". Valleytronics comporta la manipolazione del momento dell'elettrone, che dipende da quale delle due valli inequivalenti (vedi figura) l'elettrone appartiene.

I dicalcogenuri di metalli di transizione 2-D (TMD) che mancano di simmetria di inversione sono particolarmente promettenti per la valleytronica, perché i gradi di libertà di spin e di valle sono indissolubilmente legati. Ciò implica che un campo magnetico esterno può essere utilizzato come manopola per regolare la stabilità di una valle rispetto all'altra per distinguere i bit. Per di più, i bit possono essere letti utilizzando misurazioni ottiche. Questo perché la luce polarizzata circolarmente in senso orario può essere assorbita ed emessa solo da una di queste valli, e viceversa per luce polarizzata circolarmente in senso antiorario. La confluenza di queste proprietà intriganti ha portato a molti sforzi sperimentali per misurare la risposta dei TMD ai campi magnetici esterni.

La meccanica quantistica afferma che quando un campo magnetico esterno viene applicato a un cristallo periodico, gli stati elettronici originali si riorganizzano per formare livelli quantizzati, chiamati livelli di Landau, che danno luogo all'effetto Hall quantistico, dove la conduttanza di Hall assume valori quantizzati. Allo stesso tempo, anche i livelli di energia si spostano linearmente con l'intensità del campo magnetico applicato, in quello che è noto come effetto Zeeman.

In questo lavoro, Prof Quek Su Ying del Dipartimento di Fisica, NUS e il suo collega postdottorato, Dott. Xuan Fengyuan, costruito su un approccio sviluppato nel 1951 da rinomato fisico, J.M. Luttinger, derivare espressioni per i livelli energetici di TMD 2-D in presenza di un debole campo magnetico esterno. Le espressioni risultanti hanno catturato sia i livelli di Landau che l'effetto Zeeman su un piano di parità e utilizzano un hamiltoniano completamente generale in contrasto con gli studi precedenti, ei livelli energetici risultanti sono in buon accordo quantitativo con i livelli di Landau previsti dalle misurazioni ottiche.

I calcoli della meccanica quantistica mostrano per la prima volta che gli effetti a molti corpi non locali sono importanti per spiegare l'effetto Zeeman osservato sperimentalmente delle energie degli eccitoni interstrato nei TMD a doppio strato attorcigliato. I ricercatori hanno anche previsto che ogni livello di Landau è associato a un unico indice di spin e valle dell'elettrone, che dimostra chiaramente il potenziale di questi materiali 2-D per le applicazioni valleytronic.

Il professor Quek ha detto, "Questo sviluppo è un passo molto necessario verso il raggiungimento di una comprensione più chiara degli effetti dei campi magnetici sui TMD 2-D. Questo è fondamentale per consentire una progettazione razionale e il controllo della stabilità relativa dei due bit logici nelle applicazioni Valleytronics per 2- D TMD e le loro eterostrutture. C'è ancora molto da esplorare per ottenere una comprensione più completa delle complesse interazioni degli elettroni con i campi magnetici in questi intriganti materiali 2-D".