石墨烯中的電子表現得像光一樣 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(kāi)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。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(méi)有散射，這限制了技術(shù)上的應用。此外，導帶和價(jià)帶之間能隙的存在會(huì )在界面處散射電子，阻礙了在半導體p-n結處觀(guān)察到負折射現象。在這項研究中，研究人員對石墨烯——一種具有在室溫下無(wú)與倫比的性能和沒(méi)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結處存在負折射的可能性在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，對這種效應的觀(guān)察需要極其干凈的器件，使得電子可以在很長(cháng)的距離上以直線(xiàn)的方式前進(jìn)而沒(méi)有散射。在過(guò)去的十年中，哥倫比亞大學(xué)的一個(gè)多學(xué)科團隊——包括Hone和Dean, 以及勞氏電氣工程和生物醫學(xué)工程名譽(yù)教授Kenneth Shepard, 物理學(xué)副教授A(yíng)bhay Pasupathy和當時(shí)在哥倫比亞大學(xué)(現在在哈佛)工作的物理學(xué)教授Philip Kim——一直致力于開(kāi)發(fā)新的技術(shù)來(lái)構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(cháng)度尺度已經(jīng)超出了20微米。從那時(shí)起，他們一直試圖開(kāi)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(gè)點(diǎn)。但他們無(wú)法觀(guān)察到這樣的效果，并發(fā)現他們的結果顯得令人費解。

　　2015年，韓國浦項科技大學(xué)的一個(gè)研究小組報道了第一個(gè)在韋謝拉戈型器件中產(chǎn)生聚焦的證據。然而，該響應很弱，只是出現在衍生信號上。哥倫比亞大學(xué)的團隊認為，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)結區上隔離和映射電子的流動(dòng)。他們利用了一種被稱(chēng)為“磁聚焦”的成熟技術(shù)來(lái)將電子注入到P-N結。通過(guò)測量在結的兩側電極之間的傳輸相對于載流子密度的函數關(guān)系，隨著(zhù)通過(guò)調整磁場(chǎng)而使入射角發(fā)生變化，他們可以描繪出電子在p-n結兩側的軌道。

　　哥倫比亞大學(xué)團隊的成果的關(guān)鍵是由弗吉尼亞大學(xué)Ghosh的小組提供的理論支持，他們制定了詳細的仿真技術(shù)來(lái)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(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，以及在結區的量子力學(xué)隧穿。理論分析還揭示了為什么以一種更強大的方式來(lái)測量到被預言的韋謝拉戈透鏡現象是如此的困難，而該團隊基于此研究開(kāi)發(fā)了新的多結器件結構。結合實(shí)驗數據與理論模擬，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(chēng)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關(guān)系(在光學(xué)中被稱(chēng)為菲涅耳系數)。

　　“在很多時(shí)候，這個(gè)透射強度是一個(gè)更關(guān)鍵的參數，”Ghosh說(shuō)，“因為其決定了電子實(shí)際越過(guò)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(kāi)關(guān)的通斷比。”