由哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)助理教授Cory Dean，弗吉尼亞大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程教授Avik Ghosh以及哥倫比亞大學(xué)Wang Fong-Jen名譽(yù)工程教授James Hone領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)，第一次直接觀察到了在電子通過導(dǎo)電材料中兩個(gè)區(qū)域之間的邊界時(shí)發(fā)生了負(fù)折射。這種效應(yīng)在2007年首次被預(yù)測(cè)，但一直以來都難以從實(shí)驗(yàn)上來證實(shí)。研究人員現(xiàn)在能夠在石墨烯中觀察到了這種效應(yīng)，證明在原子級(jí)別的厚度的材料中，電子表現(xiàn)得像光線一樣，可以通過透鏡和棱鏡等光學(xué)器件進(jìn)行操縱。這項(xiàng)發(fā)表9月30日的《科學(xué)》雜志上的研究結(jié)果可能會(huì)導(dǎo)致基于光學(xué)的原理而不是電子的原理的新類型電子開關(guān)的發(fā)展。
“在導(dǎo)電材料中像操縱光線一樣操縱電子的能力，打開了一個(gè)關(guān)于電子學(xué)的全新的思維方式，”Dean說?！袄?，構(gòu)成計(jì)算機(jī)芯片的開關(guān)通過打開或關(guān)閉整個(gè)器件來工作，而這消耗了相當(dāng)大的功率。用透鏡來將電子‘束’在電極之間進(jìn)行轉(zhuǎn)向可能會(huì)大幅的增加效率，從而解決實(shí)現(xiàn)更快、更節(jié)能的電子器件的一個(gè)關(guān)鍵的瓶頸問題。”
光線通過正常光學(xué)介質(zhì)以及相比之下通過一個(gè)能夠產(chǎn)生負(fù)折射的介質(zhì)時(shí)的傳播路徑的示意圖。
Dean補(bǔ)充說：“這些研究結(jié)果也可能使新的實(shí)驗(yàn)探針成為可能。例如，電子透鏡可以使芯片上版本的電子顯微鏡成為可能，其具有原子尺度的成像和診斷能力。其他由光學(xué)賦予靈感的器件，如分束器和干涉儀，可以激發(fā)對(duì)固態(tài)物質(zhì)中電子的量子本質(zhì)的新研究?！?/p>
雖然石墨烯已被廣泛探索用于支持高的電子速度，但是想要切斷電子流而不損害它們的移動(dòng)性是出了名的難。Ghosh說：“那么一個(gè)很自然的念頭就是看是否可以用多角度的結(jié)來在石墨烯中實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電流切斷。如果這能夠令我們滿意，我們將會(huì)得到一個(gè)可以用于模擬(RF)和數(shù)字(CMOS)電子器件的低功耗、超高速的開關(guān)裝置，從而可能減輕許多我們?cè)谀壳暗碾娮悠骷纤鎸?duì)的關(guān)于高能源成本和熱預(yù)算的挑戰(zhàn)?！?/p>
當(dāng)從一種材料進(jìn)入另一種材料的時(shí)候，光會(huì)改變方向——或折射，這個(gè)過程允許我們使用透鏡和棱鏡來對(duì)光進(jìn)行聚焦和轉(zhuǎn)向。一個(gè)被稱為折射率的量決定了在邊界處的彎曲程度，對(duì)于傳統(tǒng)的材料例如玻璃來說其是一個(gè)正值。然而，通過巧妙的設(shè)計(jì)，也有可能創(chuàng)造出具有負(fù)折射率的“超材料”，在這種材料中折射角度也是負(fù)的。“這可能會(huì)有不尋常和戲劇性的結(jié)果，”Hone提示說?！肮鈱W(xué)超材料帶來了奇異而重要的新技術(shù)，如可以突破衍射極限的限制進(jìn)行聚焦超透鏡，和通過使物體周圍的光線彎曲而使物體不可見的光學(xué)斗篷?！?/p>
穿過非常純粹的導(dǎo)體的電子可以像光線一樣直線傳播，從而使得類光學(xué)現(xiàn)象的出現(xiàn)成為可能。在材料中，電子密度起到了折射率類似的作用，而當(dāng)電子從具有某個(gè)密度的一個(gè)區(qū)域通過進(jìn)入到另一個(gè)密度的區(qū)域時(shí)，其會(huì)發(fā)生折射。此外，材料中的電流載體可以表現(xiàn)為帶負(fù)電荷(電子)或帶正電荷(空穴)，這取決于它們是存在于導(dǎo)帶還是價(jià)帶。事實(shí)上，被稱為p-n結(jié)(“p”表示正，“n”表示負(fù))的空穴型和電子型導(dǎo)體之間的邊界，構(gòu)成了電子器件如二極管和晶體管的基本單元。
Hone說：“與在光學(xué)材料中創(chuàng)造一個(gè)負(fù)折射率的超材料是一個(gè)巨大的工程挑戰(zhàn)不同，負(fù)電子折射很自然的發(fā)生在固體材料的任何p-n結(jié)上。”
上世紀(jì)80和90年代的二維高純半導(dǎo)體層如砷化鎵(GaAs)的開發(fā)使研究者首次證明了電子光學(xué)，包括折射和透鏡等效應(yīng)。然而，在這些材料中，電子的運(yùn)行只有在非常低的溫度下才沒有散射，這限制了技術(shù)上的應(yīng)用。此外，導(dǎo)帶和價(jià)帶之間能隙的存在會(huì)在界面處散射電子，阻礙了在半導(dǎo)體p-n結(jié)處觀察到負(fù)折射現(xiàn)象。在這項(xiàng)研究中，研究人員對(duì)石墨烯——一種具有在室溫下無與倫比的性能和沒有能隙的二維材料——的使用克服了這兩個(gè)局限。
石墨烯p-n結(jié)處存在負(fù)折射的可能性在2007年由在蘭卡斯特大學(xué)和哥倫比亞大學(xué)工作的理論學(xué)家第一次被提出。然而，對(duì)這種效應(yīng)的觀察需要極其干凈的器件，使得電子可以在很長(zhǎng)的距離上以直線的方式前進(jìn)而沒有散射。在過去的十年中，哥倫比亞大學(xué)的一個(gè)多學(xué)科團(tuán)隊(duì)——包括Hone和Dean, 以及勞氏電氣工程和生物醫(yī)學(xué)工程名譽(yù)教授Kenneth Shepard, 物理學(xué)副教授Abhay Pasupathy和當(dāng)時(shí)在哥倫比亞大學(xué)(現(xiàn)在在哈佛)工作的物理學(xué)教授Philip Kim——一直致力于開發(fā)新的技術(shù)來構(gòu)建非常干凈的石墨烯器件。這種努力在2013年的演示樣品上達(dá)到了頂峰，其彈道輸運(yùn)的長(zhǎng)度尺度已經(jīng)超出了20微米。從那時(shí)起，他們一直試圖開發(fā)一種韋謝拉戈(Veselago)鏡頭，其可以用負(fù)折射將電子聚焦到一個(gè)點(diǎn)。但他們無法觀察到這樣的效果，并發(fā)現(xiàn)他們的結(jié)果顯得令人費(fèi)解。
2015年，韓國(guó)浦項(xiàng)科技大學(xué)的一個(gè)研究小組報(bào)道了第一個(gè)在韋謝拉戈型器件中產(chǎn)生聚焦的證據(jù)。然而，該響應(yīng)很弱，只是出現(xiàn)在衍生信號(hào)上。哥倫比亞大學(xué)的團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，要完全理解為什么這個(gè)效果如此難以捉摸，他們需要在橫跨整個(gè)結(jié)區(qū)上隔離和映射電子的流動(dòng)。他們利用了一種被稱為“磁聚焦”的成熟技術(shù)來將電子注入到P-N結(jié)。通過測(cè)量在結(jié)的兩側(cè)電極之間的傳輸相對(duì)于載流子密度的函數(shù)關(guān)系，隨著通過調(diào)整磁場(chǎng)而使入射角發(fā)生變化，他們可以描繪出電子在p-n結(jié)兩側(cè)的軌道。
哥倫比亞大學(xué)團(tuán)隊(duì)的成果的關(guān)鍵是由弗吉尼亞大學(xué)Ghosh的小組提供的理論支持，他們制定了詳細(xì)的仿真技術(shù)來模擬哥倫比亞團(tuán)隊(duì)測(cè)試到的響應(yīng)。這包括計(jì)算在不同的電場(chǎng)和磁場(chǎng)下石墨烯中的電子流，解釋在邊緣處的多次反射，以及在結(jié)區(qū)的量子力學(xué)隧穿。理論分析還揭示了為什么以一種更強(qiáng)大的方式來測(cè)量到被預(yù)言的韋謝拉戈透鏡現(xiàn)象是如此的困難，而該團(tuán)隊(duì)基于此研究開發(fā)了新的多結(jié)器件結(jié)構(gòu)。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論模擬，給了研究人員一幅關(guān)于這種折射的可視地圖，并使他們能夠第一次定量確定入射角和折射角之間的關(guān)系(在光學(xué)中被稱為斯涅爾定律)，以及確定透射光強(qiáng)的大小與入射角度的函數(shù)關(guān)系(在光學(xué)中被稱為菲涅耳系數(shù))。
“在很多時(shí)候，這個(gè)透射強(qiáng)度是一個(gè)更關(guān)鍵的參數(shù)，”Ghosh說，“因?yàn)槠錄Q定了電子實(shí)際越過勢(shì)壘的概率，而不僅僅是它們的折射角。這種透射最終決定了許多基于這些效應(yīng)的器件的性能指標(biāo)，例如開關(guān)的通斷比。”