Los investigadores de NUS han desarrollado un enfoque sin parámetros para predecir cuantitativamente la respuesta de materiales Valleytronics bidimensionales (2-D) a un campo magnético externo. Estas predicciones son importantes porque proporcionan información sobre los efectos de muchos cuerpos en una propiedad fascinante de estos materiales que permite que el campo magnético aumente la estabilidad de un valle (bit "uno") sobre el otro (bit "cero").

Valleytronics ahora se está considerando activamente como otro nuevo paradigma para el procesamiento de información, siguiendo a sus predecesores, "electrónica" y "espintrónica". Valleytronics implica manipular el impulso del electrón, que depende de cuál de los dos valles desiguales (ver Figura) pertenece al electrón.

Dicalcogenuros de metales de transición 2-D (TMD) que carecen de simetría de inversión son particularmente prometedores para Valleytronics, porque los grados de libertad de giro y valle están indisolublemente ligados. Esto implica que se puede usar un campo magnético externo como una perilla para ajustar la estabilidad de un valle sobre el otro para distinguir bits. Es más, los bits se pueden leer utilizando medidas ópticas. Esto se debe a que la luz que está polarizada circularmente en el sentido de las agujas del reloj solo puede ser absorbida y emitida desde uno de estos valles, y viceversa para la luz polarizada circularmente en sentido antihorario. La confluencia de estas intrigantes propiedades ha dado lugar a muchos esfuerzos experimentales para medir la respuesta de los TMD a los campos magnéticos externos.

La mecánica cuántica dice que cuando se aplica un campo magnético externo a un cristal periódico, los estados electrónicos originales se reorganizan para formar niveles cuantificados, llamados niveles de Landau, que dan lugar al efecto Hall cuántico, donde la conductancia de Hall adquiere valores cuantificados. Al mismo tiempo, los niveles de energía también cambian linealmente con la fuerza del campo magnético aplicado, en lo que se conoce como efecto Zeeman.

En este trabajo, Profesor Quek Su Ying del Departamento de Física, NUS y su becario postdoctoral, Dr. Xuan Fengyuan, construido sobre un enfoque desarrollado en 1951 por un renombrado físico, J.M. Luttinger, para derivar expresiones para los niveles de energía de los TMD 2-D en presencia de un campo magnético externo débil. Las expresiones resultantes capturaron tanto los niveles de Landau como el efecto Zeeman en pie de igualdad y utilizan un hamiltoniano completamente general en contraste con estudios anteriores, y los niveles de energía resultantes están en buen acuerdo cuantitativo con los niveles de Landau predichos a partir de mediciones ópticas.

Los cálculos de la mecánica cuántica muestran por primera vez que los efectos no locales de muchos cuerpos son importantes para explicar el efecto Zeeman observado experimentalmente de las energías de excitón entre capas en TMD de dos capas retorcidas. Los investigadores también predijeron que cada nivel de Landau está asociado con un espín electrónico y un índice de valle únicos, lo que demuestra claramente el potencial de estos materiales 2-D para aplicaciones Valleytronic.

El profesor Quek dijo:"Este desarrollo es un paso muy necesario para lograr una comprensión más clara de los efectos de los campos magnéticos en los TMD 2-D. Esto es fundamental para permitir el diseño racional y el control de la estabilidad relativa de los dos bits lógicos en aplicaciones Valleytronics para 2- D TMD y sus heteroestructuras. Aún queda mucho por explorar para obtener una comprensión más completa de las complejas interacciones de los electrones con los campos magnéticos en estos intrigantes materiales 2-D ".