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(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)帶和價帶之間能隙的存在會在界面處散射電子，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(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(yīng)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(xué)的一個多學(xué)科團隊——包括Hone和Dean, 以及勞氏電氣工程和生物醫(yī)學(xué)工程名譽教授Kenneth Shepard, 物理學(xué)副教授Abhay Pasupathy和當時在哥倫比亞大學(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(xué)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(yīng)很弱，只是出現(xiàn)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(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)來模擬哥倫比亞團隊測試到的響應(yīng)。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(xué)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(yù)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(xué)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(xué)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(yīng)的器件的性能指標，例如開關(guān)的通斷比。”