石墨烯中的電子表現(xiàn)得像光一樣 甚至更好

　　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)的一個團(tuán)隊，第一次直接觀察到了在電子通過導(dǎo)電材料中兩個區(qū)域之間的邊界時發(fā)生了負(fù)折射。這種效應(yīng)在2007年首次被預(yù)測，但一直以來都難以從實驗上來證實。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。這項發(fā)表9月30日的《科學(xué)》雜志上的研究結(jié)果可能會導(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，打開了一個關(guān)于電子學(xué)的全新的思維方式，”Dean說。“例如，構(gòu)成計算機(jī)芯片的開關(guān)通過打開或關(guān)閉整個器件來工作，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)向可能會大幅的增加效率，從而解決實現(xiàn)更快、更節(jié)能的電子器件的一個關(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能夠產(chǎn)生負(fù)折射的介質(zhì)時的傳播路徑的示意圖。

　　Dean補(bǔ)充說：“這些研究結(jié)果也可能使新的實驗探針成為可能。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)對固態(tài)物質(zhì)中電子的量子本質(zhì)的新研究。”

　　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性是出了名的難。Ghosh說：“那么一個很自然的念頭就是看是否可以用多角度的結(jié)來在石墨烯中實現(xiàn)強(qiáng)電流切斷。如果這能夠令我們滿意，我們將會得到一個可以用于模擬(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在目前的電子器件上所面對的關(guān)于高能源成本和熱預(yù)算的挑戰(zhàn)。”

　　當(dāng)從一種材料進(jìn)入另一種材料的時候，光會改變方向——或折射，這個過程允許我們使用透鏡和棱鏡來對光進(jìn)行聚焦和轉(zhuǎn)向。一個被稱為折射率的量決定了在邊界處的彎曲程度，對于傳統(tǒng)的材料例如玻璃來說其是一個正值。然而，通過巧妙的設(shè)計，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。“這可能會有不尋常和戲劇性的結(jié)果，”Hone提示說。“光學(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。”

　　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)電子從具有某個密度的一個區(qū)域通過進(jìn)入到另一個密度的區(qū)域時，其會發(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)帶還是價帶。事實上，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)造一個負(fù)折射率的超材料是一個巨大的工程挑戰(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。”