초심자를 위한 밸리트로닉스

해당 글은 Spin-Nano Community Blog의 Valleytronics in a nutshell 을 해석한 글 입니다.

 

최근, 고전론적인 컴퓨팅(이하 컴퓨터)과 양자컴퓨팅 모두 심각한 문제점에 직면하고 있다. 컴퓨터 입장에서는 실리콘 기반의 FET 기술이 스케일링의 근본적인 한계에 맞닿았고 현재 상용화된 실리콘 기반 CMOS 기술력에 상응하는 대체 기술이 없는 실정이다. 양자컴퓨팅의 입장에서는 qubit의 entanglement 수를 늘려야 실용적인 문제를 해결할 수 있지만, 현대의 기술로는 턱없이 부족한 실정이다. 두 분야 모두 새로운 물리적 현상으로부터 이뤄낸 소자에서 혜택을 받았다는 장점이 있다.  2차원 TMD(transition metal dichalcogenides)s는 흥미로운 전기적, 광자적, 그리고 excitonic한 성질을 갖고있음에 최근 관심이 기울여지고 있다.

2D TMDs는 time-reversal symmetry를 갖고 있으면서도 Inversion symmetry의 부재한 성질을 갖는데, 이 성질로 하여금 momentum space속 첫번째 브릴루앙 영역의 K point와 K' point에서 개별적으로 addressable 한 valley를 갖게끔 한다. 이 valley addressability는 electron, hole, 또는 exciton의 momentum state에 대한 manipulation 가능성을 열어 정보 프로세싱에 새로운 프로다임을 제시한다.

반도체의 격자구조는 종종 momentum space속 conduction band의 특정 포인트에서 degenerated되는 minima를 가진다. 우리는 이 minima를 valley라 부르며, that carriers are present in one valley versus another한 성질을 이용하는 소자를 valleytronics device라 한다. 비록 많은 periodic solids에서 degenerate valley가 존재하지만, 대부분의 경우 어느 한 valley에 위치한 carrier를 다른 carrier들로부터 독립적으로 address 하거나 조작할 수 없는데, 이는 carrier의 valley state가 우리가 작용시키는 외부 힘과 전혀 coupling되지 않기 떄문이다. 

그러므로, 대부분의 물질에서 벨리트로닉스 소자를 만드는 것은 불가능하다. 이는 전자 스핀, 혹은 SOC에 의한 전기장으로 인해 발생하는 자기장에 의해 manipulated 되는 스핀이 존재하는 스핀트로닉스와는 반대이다.

몇몇의 경우, 서로 다른 crystal orientation에 따른 캐리어의 mass anisotropy가 valley polarization 유발할 수 있는데, 각 valley마다 선호되는 scattering이 서로 다르다. 이는 극저온에서의 diamond, AlAs, Si, Bi에서 모두 나타난다. 하지만 이 물질들은 valley index (때때로 valley pseudospin으로도 불리는)와 외부 물리량(예를들어 자기장)사이의 강력한 coupling이 아직 알려지지 않았다. 그러므로 아직 스위칭같은 효용가능성 높은 소자를 만들기 위해 mass anisotropy를 사용하는 방법은 불분명하다. 

최근 2D 물질의 출현은 valley index의 control과 manipulation에 대한 기대를 더욱 높여주었다. hexagonal lattice를 가지는 2D 물질 (예를 들어 그래핀, TMDs 등등..)은 브릴루앙 존의 K, K' 포인트에서 valley를 가질 수 있다. 하지만 이 중 한 밸리에서의 carrier selectivity를 찾거나 manipulate하기 위해서는 위 두 valley를 구별할 물리량에 대한 측정이 필요하다.

2D TMDs의 2H phases는 inversion symmetry가 부재하고 결과적으로 K와 K' 밸리 사이에서 서로 대비되는 Berry curvatures와 orbital magnetic moment를 보인다. 만약 Berry curvature가 K와 K' 포인트에서 서로 다른 값을 가진다면, 아마 각 밸리에 인가되는 전기장에 따라 electron, hole, 또는 exciton이 서로 다른 행동을 보일것이라고 생각할 수 있을 것이다. 만약 orbital magnetic moment가 K와 K' 포인트에서 서로 다른 값을 가진다면, 각 밸리에 인가되는 자기장에 따라 서로 다른 행동을 보일것이라고 예측할 수 있다. K와 K'포인트에서의 Berry curvature와 orbital magnetic moment의 contrasting value는 두 밸리 사이에서 광학적인 circular dichroism을 발생시키고, 이는 우측, 혹은 좌측 helicity를 가지는 photon을 통한 선택적인 excitation을 가능케 할 것이다. Monolayer 2D TMDs가 이 요구조건을 만족시키는 것으로 알려져있고, 그렇기에 valleytronic application에서 가장 유망한 후보자로 꼽히고 있다.

Sketch denoting the circular optical dichroism of the K and -K valley in TMDC monolayers

 

By Riccardo Pisoni, PhD student at the Ensslin Nanophysics group at ETH Zurich, Zurich, Switzerland