Lys afsporer elektroner gennem grafen

Måden elektroner flyder på i et materiale bestemmer dets elektroniske egenskaber. For eksempel, når en spænding opretholdes over et ledende materiale, begynder elektroner at strømme og genererer en elektrisk strøm. Disse elektroner menes ofte at flyde i lige baner og bevæge sig langs det elektriske felt, meget ligesom en bold, der ruller ned ad en bakke. Alligevel er disse ikke de eneste baner, elektroner kan tage:Når et magnetfelt påføres, bevæger elektronerne sig ikke længere i lige baner langs det elektriske felt, men faktisk bøjer de. De bøjede elektroniske strømme fører til tværgående signaler kaldet "Hall"-svar.

Er det nu muligt at bøje elektroner uden at anvende et magnetfelt? I en undersøgelse for nylig offentliggjort i Science , rapporterer et internationalt hold af forskere, at cirkulært polariseret lys kan inducere bøjede elektroniske strømme i tolagsgrafen. Undersøgelsen er blevet udført af et hold, der omfatter ICFO-forskerne Jianbo Yin (i øjeblikket forsker fra Beijing Graphene Institute, Kina), David Barcons, Iacopo Torre, ledet af ICREA-professor ved ICFO Frank Koppens i samarbejde med Cheng Tan og James Hone fra Columbia University, Kenji Watanabe og Takashi Taniguchi fra NIMS Japan og prof. Justin Song fra Nanyang Technological University (NTU) i Singapore.

Jianbo Yin, førsteforfatter af undersøgelsen, husker, hvordan det hele startede. "Denne samarbejdsundersøgelse begyndte i 2016 med en samtale mellem Justin Song og Frank Koppens på en videnskabelig konference." Som Justin Song forklarer:"Elektroner er ikke bare partikler, men kan have en kvantebølgelignende natur." I kvantematerialer, såsom tolagsgrafen, kan elektronernes bølgemønster udvise en kompleks vikling, der ofte omtales som kvantegeometri. "Frank og jeg talte om muligheden for at udnytte kvantegeometri i tolagsgrafen til at bøje elektronstrømmen med lys i stedet for at bruge magnetfelter."

Med dette i tankerne besluttede Jianbo Yin, en forsker i Frank Koppens' team, at tage udfordringen op med eksperimentelt at realisere dette usædvanlige fænomen. "Vores enhed var meget kompliceret at bygge. Det tog at bygge mange enheder og flyve til Columbia University for at arbejde sammen med Cheng Tan og James Hone for at forbedre enhedens kvalitet."

Kvantegeometri og dalselektivitet

I dobbeltlagsgrafen er der to lommer af elektrondale (K og K'):når et vinkelret elektrisk felt påføres, kan de kvantegeometriske egenskaber af elektroner i disse to dale få dem til at bøje i modsatte retninger. Som et resultat annulleres deres Hall-effekter.

I deres undersøgelse fandt forskerholdet ud af, at ved at anvende cirkulært polariseret infrarødt lys på tolagsgrafenenheden var de i stand til selektivt at excitere en specifik dalpopulation af elektroner i materialet, som genererede en fotospænding vinkelret på den sædvanlige elektronstrøm. Som Koppens fremhæver:"Vi har nu konstrueret enheden og opsætningen på en sådan måde, at strømmen kun flyder med lysbelysning. Hermed var vi i stand til at undgå den baggrundsstøj, der hæmmer målinger og opnå en følsomhed i detekteringen flere størrelsesordener bedre. end noget andet 2D-materiale." Denne udvikling er væsentlig, fordi konventionelle fotodetektorer ofte kræver store spændingsforspændinger, der kan føre til "mørke strømme", der flyder, selv når der ikke er lys.

Yin bemærker, at "vi kan styre bøjningen af ​​elektronerne med det elektriske felt uden for planet, vi anvender. Vi kan ændre bøjningsvinklen for disse elektroner, som kan kvantificeres af Hall-konduktiviteten. Ved at styre spændingsknappen, ' Berry-krumningen [en karakteristisk for kvantegeometri] kan indstilles, hvilket kan føre til en kæmpe Hall-ledningsevne."

Resultaterne af undersøgelsen åbner et nyt område af mange detektions- og billedbehandlingsapplikationer, som Koppens endelig konkluderer. "En sådan opdagelse kan have store implikationer i applikationer til infrarød og terahertz-sensing, da tolagsgrafen kan omdannes fra semimetal til halvleder med et meget lille båndgab, så det kan detektere fotoner med meget små energier. Det kan også være nyttigt, f.eks. billeddannelse i rummet, medicinsk billeddannelse, f.eks. til hudkræft i væv, eller endda til sikkerhedsapplikationer såsom kvalitetsinspektion af materialer."

Mulighederne er mangfoldige, og de næste trin i forskningen fokuseret på nye 2D-materialer, såsom moiré-materialet snoet dobbeltlagsgrafen, kan finde nye måder at kontrollere elektronstrømme og ukonventionelle opto-elektroniske egenskaber på. + Udforsk yderligere

Undervurder ikke bølgende grafen:Unik elektronik muliggjort af bølgede mønstre, der kanaliserer elektroner