石墨烯中的電子表現(xiàn)得像光一樣 甚至更好

　　上世紀80和90年代的二維高純半導體層如砷化鎵(GaAs)的開發(fā)使研究者首次證明了電子光學，包括折射和透鏡等效應。然而，在這些材料中，電子的運行只有在非常低的溫度下才沒有散射，這限制了技術(shù)上的應用。此外，導帶和價帶之間能隙的存在會在界面處散射電子，阻礙了在半導體p-n結(jié)處觀察到負折射現(xiàn)象。在這項研究中，研究人員對石墨烯——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局限。

　　石墨烯p-n結(jié)處存在負折射的可能性在2007年由在蘭卡斯特大學和哥倫比亞大學工作的理論學家第一次被提出。然而，對這種效應的觀察需要極其干凈的器件，使得電子可以在很長的距離上以直線的方式前進而沒有散射。在過去的十年中，哥倫比亞大學的一個多學科團隊——包括Hone和Dean, 以及勞氏電氣工程和生物醫(yī)學工程名譽教授Kenneth Shepard, 物理學副教授Abhay Pasupathy和當時在哥倫比亞大學(現(xiàn)在在哈佛)工作的物理學教授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年的演示樣品上達到了頂峰，其彈道輸運的長度尺度已經(jīng)超出了20微米。從那時起，他們一直試圖開發(fā)一種韋謝拉戈(Veselago)鏡頭，其可以用負折射將電子聚焦到一個點。但他們無法觀察到這樣的效果，并發(fā)現(xiàn)他們的結(jié)果顯得令人費解。

　　2015年，韓國浦項科技大學的一個研究小組報道了第一個在韋謝拉戈型器件中產(chǎn)生聚焦的證據(jù)。然而，該響應很弱，只是出現(xiàn)在衍生信號上。哥倫比亞大學的團隊認為，要完全理解為什么這個效果如此難以捉摸，他們需要在橫跨整個結(jié)區(qū)上隔離和映射電子的流動。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)。通過測量在結(jié)的兩側(cè)電極之間的傳輸相對于載流子密度的函數(shù)關(guān)系，隨著通過調(diào)整磁場而使入射角發(fā)生變化，他們可以描繪出電子在p-n結(jié)兩側(cè)的軌道。

　　哥倫比亞大學團隊的成果的關(guān)鍵是由弗吉尼亞大學Ghosh的小組提供的理論支持，他們制定了詳細的仿真技術(shù)來模擬哥倫比亞團隊測試到的響應。這包括計算在不同的電場和磁場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)的量子力學隧穿。理論分析還揭示了為什么以一種更強大的方式來測量到被預言的韋謝拉戈透鏡現(xiàn)象是如此的困難，而該團隊基于此研究開發(fā)了新的多結(jié)器件結(jié)構(gòu)。結(jié)合實驗數(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(在光學中被稱為斯涅爾定律)，以及確定透射光強的大小與入射角度的函數(shù)關(guān)系(在光學中被稱為菲涅耳系數(shù))。

　　“在很多時候，這個透射強度是一個更關(guān)鍵的參數(shù)，”Ghosh說，“因為其決定了電子實際越過勢壘的概率，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的器件的性能指標，例如開關(guān)的通斷比。”