Les chercheurs du NUS ont développé une approche sans paramètre pour prédire quantitativement la réponse des matériaux valleytronics bidimensionnels (2-D) à un champ magnétique externe. Ces prédictions sont importantes car elles donnent un aperçu des effets à N corps d'une propriété fascinante de ces matériaux qui permet au champ magnétique d'augmenter la stabilité d'une vallée (bit "un") par rapport à l'autre (bit "zéro").

Valleytronics est maintenant activement considéré comme un autre nouveau paradigme pour le traitement de l'information, à la suite de ses prédécesseurs, « électronique » et « spintronique ». Valleytronics consiste à manipuler la quantité de mouvement de l'électron, qui dépend à laquelle des deux vallées inéquivalentes (voir la figure) appartient l'électron.

Les dichalcogénures de métaux de transition (TMD) 2-D qui manquent de symétrie d'inversion sont particulièrement prometteurs pour la valleytronics, parce que les degrés de liberté de spin et de vallée sont inextricablement liés. Cela implique qu'un champ magnétique externe peut être utilisé comme un bouton pour régler la stabilité d'une vallée par rapport à l'autre pour distinguer les bits. Par ailleurs, les bits peuvent être lus à l'aide de mesures optiques. En effet, la lumière polarisée circulairement dans le sens des aiguilles d'une montre ne peut être absorbée et émise que par l'une de ces vallées, et vice versa pour la lumière polarisée circulairement dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. La confluence de ces propriétés intrigantes a donné lieu à de nombreux efforts expérimentaux pour mesurer la réponse des TMD aux champs magnétiques externes.

La mécanique quantique dit que lorsqu'un champ magnétique externe est appliqué à un cristal périodique, les états électroniques originaux se réorganisent pour former des niveaux quantifiés, appelés niveaux de Landau, qui donnent lieu à l'effet Hall quantique, où la conductance de Hall prend des valeurs quantifiées. À la fois, les niveaux d'énergie se déplacent également linéairement avec l'intensité du champ magnétique appliqué, dans ce que l'on appelle l'effet Zeeman.

Dans ce travail, Prof Quek Su Ying du Département de physique, NUS et sa stagiaire postdoctorale, Dr Xuan Fengyuan, construit sur une approche développée en 1951 par un physicien de renom, J.M. Luttinger, pour dériver des expressions pour les niveaux d'énergie des TMD 2-D en présence d'un champ magnétique externe faible. Les expressions résultantes ont capturé à la fois les niveaux de Landau et l'effet Zeeman sur un pied d'égalité et utilisent un hamiltonien complètement général contrairement aux études précédentes, et les niveaux d'énergie résultants sont en bon accord quantitatif avec les niveaux de Landau prédits à partir de mesures optiques.

Les calculs de mécanique quantique montrent pour la première fois que les effets à plusieurs corps non locaux sont importants pour expliquer l'effet Zeeman observé expérimentalement des énergies d'excitons intercouches dans les TMD bicouches torsadées. Les chercheurs ont également prédit que chaque niveau de Landau est associé à un indice unique de spin et de vallée des électrons, ce qui démontre clairement le potentiel de ces matériaux 2-D pour les applications valleytronic.

Le professeur Quek a dit, "Ce développement est une étape indispensable vers une meilleure compréhension des effets des champs magnétiques sur les TMD 2-D. Ceci est essentiel pour permettre une conception et un contrôle rationnels de la stabilité relative des deux bits logiques dans les applications valleytronics pour 2- D TMD et leurs hétérostructures. Il reste encore beaucoup à explorer pour mieux comprendre les interactions complexes des électrons avec les champs magnétiques dans ces matériaux 2D intrigants.