Elektroner i grafen opfører sig som lys, kun bedre

Et team ledet af Cory Dean, adjunkt i fysik ved Columbia University, Avik Ghosh, professor i elektroteknik og computerteknik ved University of Virginia, og James Hone, Wang Fong-Jen professor i maskinteknik ved Columbia Engineering, har direkte - for første gang - observeret negativ brydning for elektroner, der passerer over en grænse mellem to regioner i et ledende materiale. Først forudsagt i 2007, denne effekt har været vanskelig at bekræfte eksperimentelt. Forskerne var i stand til at observere effekten i grafen, demonstrerer, at elektroner i det atomtynde materiale opfører sig som lysstråler, som kan manipuleres med sådanne optiske enheder som linser og prismer. Fundene, som udgives i 30. september -udgaven af Videnskab , kunne føre til udvikling af nye typer elektronafbrydere, baseret på principperne for optik frem for elektronik.

"Evnen til at manipulere elektroner i et ledende materiale som lysstråler åbner helt nye måder at tænke elektronik på, "siger Dean." F.eks. switchene, der udgør computerchips, fungerer ved at tænde eller slukke hele enheden, og dette bruger betydelig strøm. Brug af linse til at styre en elektronstråle mellem elektroderne kunne være dramatisk mere effektiv, at løse en af ​​de kritiske flaskehalse for at opnå hurtigere og mere energieffektiv elektronik. "

Dean tilføjer, "Disse fund kan også muliggøre nye eksperimentelle sonder. F.eks. elektronlinsering kan muliggøre on-chip-versioner af et elektronmikroskop, med evnen til at udføre billedbehandling og diagnostik i atomskala. Andre komponenter inspireret af optik, såsom strålesplittere og interferometre, derudover kunne muliggøre nye undersøgelser af elektronernes kvantekarakter i fast tilstand. "

Mens grafen er blevet bredt undersøgt for at understøtte høj elektronhastighed, det er notorisk svært at slukke elektronerne uden at skade deres mobilitet. Ghosh siger, "Den naturlige opfølgning er at se, om vi kan opnå en stærk strømafbrydelse i grafen med flere vinklede kryds. Hvis det virker til vores tilfredshed, vi vil have en lav effekt på vores hænder, ultrahøjhastighedsomskifterenhed til både analog (RF) og digital (CMOS) elektronik, muligvis afbød mange af de udfordringer, vi står over for med de høje energiomkostninger og det termiske budget for nutidens elektronik. "

Lys ændrer retning - eller brydes - når det går fra et materiale til et andet, en proces, der giver os mulighed for at bruge linser og prismer til at fokusere og styre lys. En mængde kendt som brydningsindekset bestemmer graden af ​​bøjning ved grænsen, og er positiv for konventionelle materialer såsom glas. Imidlertid, gennem smart teknik, det er også muligt at oprette optiske "metamaterialer" med et negativt indeks, hvor brydningsvinklen også er negativ. "Dette kan have usædvanlige og dramatiske konsekvenser, "Slib noter." Optiske metamaterialer muliggør eksotiske og vigtige nye teknologier såsom superlinser, som kan fokusere ud over diffraktionsgrænsen, og optiske kapper, som gør objekter usynlige ved at bøje lys omkring dem. "

Elektroner, der rejser gennem meget rene ledere, kan rejse i lige linjer som lysstråler, gør det muligt for optiklignende fænomener at dukke op. I materialer, elektrontætheden spiller en lignende rolle som brydningsindekset, og elektroner brydes, når de passerer fra et område med en densitet til en anden. I øvrigt, strømbærere i materialer kan enten opføre sig som om de er negativt ladede (elektroner) eller positivt ladede (huller), afhængigt af om de bebor ledningen eller valensbåndet. Faktisk, grænser mellem hullet og elektron-type ledere, kendt som p-n junctions ("p" positive, "n" negativ), danne byggestenene til elektriske apparater såsom dioder og transistorer.

"I modsætning til optiske materialer", siger Hone, "hvor oprettelse af et negativt indeksmetamateriale er en betydelig teknisk udfordring, negativ elektronbrydning forekommer naturligt i materialer i fast tilstand ved ethvert p-n-kryds. "

Udviklingen af ​​todimensionale ledende lag i halvleder med høj renhed, såsom GaAs (Gallium arsenid) i 1980'erne og 1990'erne, tillod forskere først at demonstrere elektronoptik, herunder effekterne af både brydning og linse. Imidlertid, i disse materialer, elektroner rejser uden spredning kun ved meget lave temperaturer, begrænsning af teknologiske anvendelser. Desuden, tilstedeværelsen af ​​et energigab mellem lednings- og valensbåndet spreder elektroner ved grænseflader og forhindrer observation af negativ brydning i halvleder-p-n-kryds. I dette studie, forskernes brug af grafen, et 2D -materiale med uovertruffen ydeevne ved stuetemperatur og ingen energigab, overvandt begge disse begrænsninger.

Muligheden for negativ brydning ved grafen p-n-kryds blev først foreslået i 2007 af teoretikere, der arbejdede ved både University of Lancaster og Columbia University. Imidlertid, observation af denne effekt kræver ekstremt rene enheder, sådan at elektronerne kan bevæge sig ballistisk, uden spredning, over lange afstande. I løbet af det sidste årti, et tværfagligt team i Columbia - herunder Hone and Dean, sammen med Kenneth Shepard, Lau familieprofessor i elektroteknik og professor i biomedicinsk teknik, Abhay Pasupathy, lektor i fysik, og Philip Kim, professor i fysik på det tidspunkt (nu ved Harvard) - har arbejdet med at udvikle nye teknikker til at konstruere ekstremt rene grafen -enheder. Denne indsats kulminerede i demonstrationen af ​​ballistisk transport i 2013 over en længdeskala på over 20 mikron. Siden da, de har forsøgt at udvikle et Veselago -objektiv, som fokuserer elektroner til et enkelt punkt ved hjælp af negativ brydning. Men de var ude af stand til at observere en sådan effekt og fandt deres resultater forvirrende.

I 2015, en gruppe ved Pohang University of Science and Technology i Sydkorea rapporterede det første bevis fokuseret på en Veselago-type enhed. Imidlertid, svaret var svagt, der forekommer i signalderivatet. Columbia -teamet besluttede, at for fuldt ud at forstå, hvorfor effekten var så undvigende, de havde brug for at isolere og kortlægge elektronstrømmen over krydset. De udnyttede en veludviklet teknik kaldet "magnetisk fokusering" til at injicere elektroner på p-n-krydset. Ved at måle transmission mellem elektroder på modsatte sider af krydset som en funktion af bærertæthed kunne de kortlægge elektronenes bane på begge sider af p-n-krydset, da den indfaldende vinkel blev ændret ved at indstille magnetfeltet.

Afgørende for Columbia -indsatsen var den teoretiske støtte fra Ghoshs gruppe ved University of Virginia, der udviklede detaljerede simuleringsteknikker til at modellere Columbia -teamets målte respons. Dette indebar beregning af elektronstrømmen i grafen under de forskellige elektriske og magnetiske felter, tegner sig for flere afvisning ved kanter, og kvantemekanisk tunneling ved krydset. Den teoretiske analyse kaster også lys over, hvorfor det har været så svært at måle den forudsagte Veselago -linse på en robust måde, og gruppen udvikler nye arkitekturer med flere kryds-enheder baseret på denne undersøgelse. Tilsammen gav de eksperimentelle data og den teoretiske simulering forskerne et visuelt kort over brydningen, og gjorde dem i stand til at være de første til kvantitativt at bekræfte forholdet mellem hændelsen og brydte vinkler (kendt som Snells lov i optik), samt bekræftelse af størrelsen af ​​den transmitterede intensitet som funktion af vinkel (kendt som Fresnel -koefficienterne i optik).

"På mange måder, denne transmissionsintensitet er en mere afgørende parameter, "siger Ghosh, "da det bestemmer sandsynligheden for, at elektroner rent faktisk kommer forbi barrieren, snarere end bare deres brydte vinkler. Transmissionen bestemmer i sidste ende mange af ydelsesmetrics for enheder baseret på disse effekter, såsom tænd / sluk-forholdet i en switch, for eksempel."