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(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(guò)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(lái)都難以從實(shí)驗(yàn)上來(lái)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(guò)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(lèi)型電子開(kāi)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(kāi)了一個(gè)關(guān)于電子學(xué)的全新的思維方式，”Dean說(shuō)。“例如，構(gòu)成計(jì)算機(jī)芯片的開(kāi)關(guān)通過(guò)打開(kāi)或關(guān)閉整個(gè)器件來(lái)工作，而這消耗了相當(dāng)大的功率。用透鏡來(lái)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(wèn)題。”

　　光線通過(guò)正常光學(xué)介質(zhì)以及相比之下通過(guò)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(shuō)：“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。”

　　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(shuō)：“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(lái)在石墨烯中實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電流切斷。如果這能夠令我們滿(mǎn)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(kāi)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)。”

　　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(guò)程允許我們使用透鏡和棱鏡來(lái)對(duì)光進(jìn)行聚焦和轉(zhuǎn)向。一個(gè)被稱(chēng)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(lái)說(shuō)其是一個(gè)正值。然而，通過(guò)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(shuō)。“光學(xué)超材料帶來(lái)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(guò)使物體周?chē)墓饩€彎曲而使物體不可見(jiàn)的光學(xué)斗篷。”

　　穿過(guò)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(lèi)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(lèi)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(guò)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(chēng)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(shuō)：“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。”