Os pesquisadores da NUS desenvolveram uma abordagem livre de parâmetros para prever quantitativamente a resposta de materiais Valleytronics bidimensionais (2-D) a um campo magnético externo. Essas previsões são importantes porque fornecem insights sobre os efeitos de muitos corpos em uma propriedade fascinante desses materiais que permite ao campo magnético aumentar a estabilidade de um vale (bit "um") sobre o outro (bit "zero").

Valleytronics agora está sendo considerado ativamente como outro novo paradigma para o processamento de informações, seguindo seus predecessores, "eletrônica" e "spintrônica". Valleytronics envolve a manipulação do momento do elétron, que depende de qual dos dois vales inequivalentes (veja a Figura) o elétron pertence.

Dichalcogenetos de metais de transição 2-D (TMDs) que não possuem simetria de inversão são particularmente promissores para Valleytronics, porque os graus de liberdade de rotação e vale estão inextricavelmente ligados. Isso implica que um campo magnético externo pode ser usado como um botão para ajustar a estabilidade de um vale sobre o outro para distinguir os bits. Além disso, os bits podem ser lidos por meio de medições ópticas. Isso ocorre porque a luz que é circularmente polarizada no sentido horário só pode ser absorvida e emitida por um desses vales, e vice-versa para a luz que é circularmente polarizada no sentido anti-horário. A confluência dessas propriedades intrigantes resultou em muitos esforços experimentais para medir a resposta de TMDs a campos magnéticos externos.

A mecânica quântica diz que quando um campo magnético externo é aplicado a um cristal periódico, os estados eletrônicos originais se reorganizam para formar níveis quantizados, chamados níveis Landau, que dão origem ao efeito Hall quântico, onde a condutância Hall assume valores quantizados. Ao mesmo tempo, os níveis de energia também mudam linearmente com a força do campo magnético aplicado, no que é conhecido como efeito Zeeman.

Nesse trabalho, Prof Quek Su Ying, do Departamento de Física, NUS e seu pós-doutorado, Dr. Xuan Fengyuan, construído em uma abordagem desenvolvida em 1951 por um físico renomado, J.M. Luttinger, para derivar expressões para os níveis de energia de TMDs 2-D na presença de um campo magnético externo fraco. As expressões resultantes capturaram os níveis de Landau e o efeito Zeeman em pé de igualdade e usam um hamiltoniano completamente geral em contraste com estudos anteriores, e os níveis de energia resultantes estão em boa concordância quantitativa com os níveis de Landau previstos a partir de medições ópticas.

Os cálculos da mecânica quântica mostram pela primeira vez que os efeitos não locais de muitos corpos são importantes para explicar o efeito Zeeman experimentalmente observado das energias de excitons intercamadas em TMDs de bicamada torcida. Os pesquisadores também previram que cada nível de Landau está associado a um índice único de spin e vale do elétron, o que demonstra claramente o potencial desses materiais 2-D para aplicações Valleytronic.

O prof. Quek disse:"Este desenvolvimento é um passo muito necessário para alcançar uma compreensão mais clara dos efeitos dos campos magnéticos em TMDs 2-D. Isso é fundamental para permitir o projeto racional e o controle da estabilidade relativa dos dois bits lógicos em aplicações Valleytronics para 2- D TMDs e suas heteroestruturas. Ainda há muito a explorar para obter uma compreensão mais completa das complexas interações dos elétrons com os campos magnéticos nesses intrigantes materiais 2-D. "