Valley: de verborgen kwantumeigenschap die materialen een extra geheugen geeft
Stel je een oneindig golvend landschap voor met bergen en dalen, maar dan niet in de gewone ruimte, waar je loopt of fietst, maar in een abstracte ruimte die natuurkundigen 'impulsruimte' noemen. In die ruimte beschrijft elk punt niet een plek waar een elektron zich bevindt, maar hoe snel en in welke richting het beweegt. In bepaalde kristallen, met name in ultradunne materialen van slechts één atoomlaag dik, bevat dat landschap twee identieke dalen die op een spiegelbeeldige manier tegenover elkaar liggen. Natuurkundigen noemen zo'n dal een 'valley', en de vraag in wélk dal een elektron zich bevindt, blijkt een bruikbare extra eigenschap: een soort verborgen label, vergelijkbaar met de spin van een elektron.
Dat klinkt abstract, maar het effect is heel concreet meetbaar: door een materiaal te beschijnen met circulair gepolariseerd licht (licht waarvan het elektrische veld ronddraait, zoals de wieken van een helikopter, in plaats van rechtuit trilt), kun je elektronen selectief in het ene of het andere dal duwen. Rechtsdraaiend licht vult het ene dal, linksdraaiend licht het andere. Dat opent de deur naar 'valleytronics': het idee om informatie niet alleen op te slaan in de lading van een elektron (klassieke elektronica) of zijn spin (spintronica), maar ook in de vraag in welk dal het zich bevindt. Dit artikel legt uit wat die valley-eigenschap precies is, wat onderzoekers ermee hopen te bereiken, en hoe ver het veld werkelijk is.
Wat is het precies?
In een kristal bewegen elektronen niet vrij, maar volgens spelregels die worden opgelegd door het rooster van atomen om hen heen. De mogelijke energieën die een elektron kan hebben, hangen af van zijn impuls (een maat voor bewegingsrichting en -snelheid), en als je die energie uitzet tegen de impuls, ontstaat een grafiek die natuurkundigen de 'bandenstructuur' noemen. In veel materialen zijn er in die grafiek lokale dalen: plekken waar de energie een minimum heeft. Elektronen 'zakken' bij voorkeur naar die dalen, net zoals een knikker in een schaal naar het laagste punt rolt.
In gewone driedimensionale kristallen zijn dat soort dalen niet bijzonder. Maar in bepaalde tweedimensionale materialen met een honingraatstructuur, zoals grafeen en een familie van materialen die overgangsmetaal-dichalcogeniden heet (afgekort TMD's, met namen als molybdeendisulfide, MoS2, en wolfraamdiselenide, WSe2), ontstaan er precies twee van zulke dalen die niet in elkaar overgaan: ze liggen op verschillende plekken in de impulsruimte en worden aangeduid als het K-dal en het K'-dal (spreek uit: K-accent).
Het bijzondere is dat deze twee dalen elkaars spiegelbeeld zijn door de symmetrie van het honingraatrooster, maar niet identiek zijn in hun optische eigenschappen. Een elektron in het K-dal wisselwerkt vooral met rechtsdraaiend circulair gepolariseerd licht, een elektron in het K'-dal vooral met linksdraaiend licht. Dit verschijnsel heet valley-selectieve circulaire dichroïsme. Het maakt het mogelijk om met een simpele lichtbron elektronen 'te sorteren' naar het ene of het andere dal, zonder dat er ook maar een spanning of magneetveld aan te pas komt.
Een tweede belangrijk verschijnsel is het zogeheten valley Hall-effect. Wanneer je een stroom elektronen door zo'n materiaal stuurt, buigen elektronen uit het K-dal systematisch naar de ene kant van het materiaal af, en elektronen uit het K'-dal naar de andere kant, ook zonder magneetveld. Dit is een directe kwantummechanische consequentie van de zogeheten Berry-kromming, een wiskundige eigenschap van de golffunctie van het elektron die in de twee dalen tegengesteld teken heeft. Het valley Hall-effect is de valley-analogie van het bekendere spin Hall-effect uit de spintronica.
Tot slot is er in veel van deze materialen ook nog een koppeling tussen valley en spin: door de sterke spin-baankoppeling (een relativistisch effect waarbij de spin van een elektron zijn beweging door het kristal beïnvloedt) zijn in elk dal alleen bepaalde spinrichtingen toegestaan bij de laagste energie. Dit heet spin-valley locking (spin-vallei-koppeling) en betekent dat het bevolken van een valley automatisch ook een bepaalde spinpolarisatie met zich meebrengt. Voor toepassingen is dat aantrekkelijk, omdat je zo twee kwantumeigenschappen tegelijk kunt manipuleren met één lichtpuls.
Wat wil men ermee bereiken?
De drijfveer achter valleytronica is vergelijkbaar met die achter spintronica een paar decennia eerder: klassieke elektronica gebruikt alleen de lading van elektronen om informatie te verwerken, en dat kost energie omdat er telkens lading verplaatst en weer weggehaald moet worden. Als je in plaats daarvan een interne eigenschap van het elektron gebruikt, zoals spin of valley-index, hoef je in principe geen lading te verplaatsen om een bit informatie te veranderen. Dat zou potentieel energiezuiniger kunnen zijn.
Een tweede motivatie is optische controle: omdat valleys direct gekoppeld zijn aan de polarisatierichting van licht, kun je in principe met ultrasnelle laserpulsen (in de orde van femtoseconden, dat is een miljoenste van een miljardste seconde) informatie schrijven en lezen zonder elektrische contacten. Dat maakt valley-gebaseerde systemen interessant voor razendsnelle optische schakelingen en optische geheugens.
Een derde, meer speculatieve ambitie ligt in de kwantumtechnologie: omdat de valley-vrijheidsgraad een echte kwantumtoestand is, onderzoeken sommige groepen of je er een kwantumbit (qubit) mee zou kunnen bouwen, of een extra kwantumkanaal naast spin om informatie robuuster te coderen. Dit is vooralsnog fundamenteel onderzoek, geen praktische qubit-technologie op de korte termijn.
Voorbeelden uit de praktijk
Het theoretisch fundament werd rond 2012 gelegd door onderzoekers als Di Xiao, Wang Yao en Qian Niu, die in een invloedrijk artikel in Physical Review Letters voorspelden dat monolagen van MoS2 en verwante TMD's valley-selectieve optische eigenschappen zouden vertonen, gekoppeld aan spin.
Diezelfde periode, in 2012, toonden meerdere experimentele groepen vrijwel gelijktijdig aan dat je met circulair gepolariseerd licht daadwerkelijk een valleypolarisatie kunt opwekken in monolaag MoS2. Groepen verbonden aan onder meer de University of Washington en de University of Hong Kong publiceerden hierover in Nature Nanotechnology en Nature Communications. Dit was de eerste directe experimentele bevestiging dat de valley-vrijheidsgraad optisch adresseerbaar is.
Enkele jaren later, rond 2014, werd het valley Hall-effect experimenteel aangetoond in monolaag MoS2 door combinaties van optische valleypompen met elektrisch transport, gepubliceerd in het tijdschrift Science. Dit liet voor het eerst zien dat valleypolarisatie zich niet alleen optisch laat opwekken, maar ook aanleiding geeft tot een meetbare, richtingsafhankelijke stroom.
Sinds ongeveer 2019 is er veel aandacht voor gestapelde en tegen elkaar verdraaide (getwiste) lagen van verschillende TMD's, zoals WSe2 op MoSe2. Door de twee lagen onder een kleine hoek te draaien, ontstaat een zogeheten moiré-superrooster: een periodiek patroon op een grotere schaal dan het onderliggende kristalrooster. Onderzoeksgroepen aan onder meer de University of Washington en de University of California, Berkeley, hebben laten zien dat in zulke moiré-structuren nieuwe, sterk gelokaliseerde exciton-toestanden (gebonden paren van een elektron en een 'gat', ontstaan door lichtabsorptie) optreden die eveneens een duidelijke valley-signatuur hebben. Dit verbindt valleytronica met het bredere onderzoeksveld van 'twistronica', waarin de draaihoek tussen lagen wordt gebruikt als extra ontwerpparameter voor materiaaleigenschappen.
Ook is er laboratoriumwerk aan valley-gebaseerde fotodetectoren en eenvoudige valley Hall-transistors, waarbij een aangelegde spanning en het valley-Hall-effect samen een schakelend gedrag opleveren. Dit zijn functionerende proof-of-concept-opstellingen in onderzoeksomgevingen, geen commerciële componenten.
Hoe ver is de techniek?
Valleytronica is, meer dan tien jaar na de eerste experimentele doorbraken, nog altijd overwegend fundamenteel onderzoek. De belangrijkste mijlpalen (theoretische voorspelling in 2012, experimentele valleypolarisatie in 2012, valley Hall-effect in 2014, moiré-excitonen vanaf ongeveer 2019) laten een gestaag tempo van vooruitgang zien, maar geen doorbraak richting praktische apparaten.
Het grootste obstakel is de kortstondigheid van valleypolarisatie: elektronen 'vergeten' relatief snel in welk dal ze zaten, doordat trillingen van het kristalrooster (fononen) en onzuiverheden in het materiaal ze van het ene naar het andere dal kunnen verstrooien. Deze valley-coherentietijden liggen doorgaans in de orde van picoseconden tot hooguit enkele nanoseconden bij kamertemperatuur, wat te kort is voor praktische informatieverwerking. Bij lage temperaturen (vaak enkele kelvins, dicht bij het absolute nulpunt) zijn de tijden langer en de effecten schoner meetbaar, maar dat is voor toepassingen in alledaagse elektronica een groot nadeel.
Daarnaast is het lastig om grote, defectvrije monolagen te maken en op schaal te integreren met bestaande halfgeleidertechnologie. De meeste experimenten gebruiken kleine, met de hand geëxfolieerde of via chemische dampdepositie gegroeide stukjes materiaal van micrometers tot enkele millimeters groot, ver verwijderd van de wafer-schaal productie die de chipindustrie nodig heeft.
Kortom: de fysica van de valley-vrijheidsgraad is inmiddels goed begrepen en herhaaldelijk experimenteel bevestigd, maar de stap naar een werkend, bij kamertemperatuur functionerend valleytronic-apparaat dat een praktisch voordeel biedt ten opzichte van bestaande elektronica of spintronica, is nog niet gezet. Onzekerheid bestaat vooral over de vraag of, en op welke termijn, die stap ooit haalbaar is, of dat valley-fysica vooral een krachtig hulpmiddel blijft om fundamentele kwantumeffecten in 2D-materialen te bestuderen.
Wie werken eraan?
Het onderzoek naar valleytronica is sterk internationaal verspreid over natuurkunde- en materiaalwetenschapafdelingen van universiteiten, met relatief weinig directe bedrijfsbetrokkenheid omdat het nog ver van commerciële toepassing af staat.
In de Verenigde Staten spelen de University of Washington (met onderzoek naar optische en elektrische valley-effecten in TMD's en moiré-structuren), Cornell University en de University of California, Berkeley (onder meer onderzoek naar moiré-excitonen) een prominente rol. Ook het Massachusetts Institute of Technology (MIT) en verschillende nationale laboratoria dragen bij aan onderzoek naar 2D-materialen waarin valley-effecten een rol spelen.
In Azië is de University of Hong Kong een van de centra waar zowel theoretisch als experimenteel werk aan valley-fysica wordt verricht, naast onderzoeksgroepen in vasteland-China (onder meer aan instituten verbonden met de Chinese Academy of Sciences en diverse universiteiten) en Singapore. Ook Japanse en Zuid-Koreaanse onderzoeksinstituten werken aan de groei en karakterisatie van TMD-materialen die voor dit onderzoek nodig zijn.
In Europa wordt onderzoek naar 2D-materialen en hun optische en elektronische eigenschappen, waaronder valley-gerelateerde verschijnselen, uitgevoerd binnen diverse universitaire onderzoeksgroepen en samenwerkingsverbanden op het gebied van nanofotonica en vastestoffysica, vaak met financiering vanuit nationale onderzoeksraden en Europese kaderprogramma's voor fundamenteel materiaalonderzoek. Dit blijft over het algemeen academisch onderzoek; grote geconsolideerde Europese onderzoeksconsortia specifiek gericht op valleytronica als zodanig zijn schaarser dan in de Verenigde Staten en Azië.