Een team onder leiding van Cory Dean, assistent-professor natuurkunde aan de Columbia University, Avik Ghosh, hoogleraar elektrische en computertechniek aan de Universiteit van Virginia, en James Hone, Wang Fong-Jen hoogleraar werktuigbouwkunde aan Columbia Engineering, heeft direct - voor het eerst - negatieve breking waargenomen voor elektronen die over een grens tussen twee gebieden in een geleidend materiaal gaan. Voor het eerst voorspeld in 2007, dit effect is experimenteel moeilijk te bevestigen. De onderzoekers konden het effect in grafeen waarnemen, aantonen dat elektronen in het atomair dunne materiaal zich gedragen als lichtstralen, die kunnen worden gemanipuleerd door optische apparaten zoals lenzen en prisma's. De bevindingen, die zijn gepubliceerd in de editie van 30 september van Wetenschap , zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van nieuwe soorten elektronenschakelaars, gebaseerd op de principes van optica in plaats van elektronica.

"Het vermogen om elektronen te manipuleren in een geleidend materiaal zoals lichtstralen, opent geheel nieuwe manieren van denken over elektronica, " zegt Dean. "Bijvoorbeeld, de schakelaars waaruit computerchips bestaan, werken door het hele apparaat aan of uit te zetten, en dit verbruikt veel stroom. Het gebruik van lenzen om een ​​elektronenbundel tussen elektroden te sturen zou veel efficiënter kunnen zijn. het oplossen van een van de kritische knelpunten voor het realiseren van snellere en energiezuinigere elektronica."

Dean voegt toe, "Deze bevindingen kunnen ook nieuwe experimentele sondes mogelijk maken. elektronenlensing kan on-chip versies van een elektronenmicroscoop mogelijk maken, met de mogelijkheid om beeldvorming en diagnostiek op atomaire schaal uit te voeren. Andere componenten geïnspireerd door optica, zoals bundelsplitsers en interferometers, zou bovendien nieuwe studies van de kwantumaard van elektronen in vaste toestand mogelijk kunnen maken."

Hoewel grafeen op grote schaal is onderzocht voor het ondersteunen van hoge elektronensnelheid, het is notoir moeilijk om de elektronen uit te schakelen zonder hun mobiliteit te schaden. Ghosh zegt, "Het natuurlijke vervolg is om te kijken of we een sterke stroomafschakeling in grafeen kunnen bereiken met meerdere gehoekte kruispunten. Als dat naar onze tevredenheid werkt, we zullen een laag vermogen hebben, ultrasnel schakelapparaat voor zowel analoge (RF) als digitale (CMOS) elektronica, mogelijk het verminderen van veel van de uitdagingen waarmee we worden geconfronteerd met de hoge energiekosten en het thermische budget van de hedendaagse elektronica."

Licht verandert van richting - of breekt - wanneer het van het ene materiaal naar het andere gaat, een proces waarmee we lenzen en prisma's kunnen gebruiken om licht te focussen en te sturen. Een grootheid die bekend staat als de brekingsindex bepaalt de mate van buiging aan de grens, en is positief voor conventionele materialen zoals glas. Echter, door slimme techniek, het is ook mogelijk om optische "metamaterialen" met een negatieve index te maken, waarbij de brekingshoek ook negatief is. "Dit kan ongebruikelijke en dramatische gevolgen hebben, " Hone merkt op. "Optische metamaterialen maken exotische en belangrijke nieuwe technologieën mogelijk, zoals superlenzen, die kan focussen voorbij de diffractielimiet, en optische mantels, die objecten onzichtbaar maken door er licht omheen te buigen."

Elektronen die door zeer zuivere geleiders gaan, kunnen in rechte lijnen reizen, zoals lichtstralen, waardoor optica-achtige verschijnselen kunnen ontstaan. bij materialen, de elektronendichtheid speelt een soortgelijke rol als de brekingsindex, en elektronen breken wanneer ze van een gebied met de ene dichtheid naar de andere gaan. Bovendien, stroomdragers in materialen kunnen zich ofwel gedragen alsof ze negatief geladen zijn (elektronen) of positief geladen zijn (gaten), afhankelijk van of ze de geleidingsband of de valentieband bewonen. In feite, grenzen tussen gatentype en elektronentype geleiders, bekend als pn-overgangen ("p" positief, "n" negatief), vormen de bouwstenen van elektrische apparaten zoals diodes en transistors.

"In tegenstelling tot optische materialen", zegt Hon, "waar het creëren van een metamateriaal met een negatieve index een belangrijke technische uitdaging is, negatieve elektronenbreking komt van nature voor in vastestofmaterialen op elke pn-overgang."

De ontwikkeling van tweedimensionale geleidende lagen in hoogzuivere halfgeleiders zoals GaAs (Galliumarsenide) in de jaren tachtig en negentig stelde onderzoekers in staat om eerst elektronenoptica aan te tonen, inclusief de effecten van zowel breking als lensing. Echter, in deze materialen, elektronen reizen zonder verstrooiing alleen bij zeer lage temperaturen, technologische toepassingen te beperken. Verder, de aanwezigheid van een energiekloof tussen de geleidings- en valentieband verstrooit elektronen op grensvlakken en voorkomt waarneming van negatieve breking in halfgeleider pn-overgangen. In dit onderzoek, het gebruik van grafeen door de onderzoekers, een 2D-materiaal met onovertroffen prestaties bij kamertemperatuur en geen energiekloof, overwon deze beide beperkingen.

De mogelijkheid van negatieve breking bij grafeen pn-overgangen werd voor het eerst voorgesteld in 2007 door theoretici die aan zowel de University of Lancaster als de Columbia University werkten. Echter, observatie van dit effect vereist extreem schone apparaten, zodat de elektronen ballistisch kunnen reizen, zonder verstrooiing, over lange afstanden. In het afgelopen decennium is een multidisciplinair team bij Columbia - inclusief Hone en Dean, samen met Kenneth Shepard, Lau Family Hoogleraar Elektrotechniek en hoogleraar biomedische technologie, Abhay Pasupathy, universitair hoofddocent natuurkunde, en Philip Kim, hoogleraar natuurkunde destijds (nu aan Harvard) - heeft gewerkt aan de ontwikkeling van nieuwe technieken om extreem schone grafeenapparaten te bouwen. Deze inspanning culmineerde in de demonstratie van ballistisch transport in 2013 over een lengteschaal van meer dan 20 micron. Vanaf dat moment, ze hebben geprobeerd een Veselago-lens te ontwikkelen, die elektronen focusseert naar een enkel punt met behulp van negatieve breking. Maar ze konden een dergelijk effect niet waarnemen en vonden hun resultaten raadselachtig.

in 2015, een groep aan de Pohang University of Science and Technology in Zuid-Korea rapporteerde het eerste bewijs dat zich concentreerde op een apparaat van het Veselago-type. Echter, de reactie was zwak, verschijnen in de signaalderivaat. Het Columbia-team besloot dat om volledig te begrijpen waarom het effect zo ongrijpbaar was, ze moesten de stroom van elektronen over de junctie isoleren en in kaart brengen. Ze gebruikten een goed ontwikkelde techniek genaamd "magnetische focussering" om elektronen op de pn-overgang te injecteren. Door de transmissie tussen elektroden aan weerszijden van de junctie te meten als een functie van de dragerdichtheid, konden ze de baan van elektronen aan beide zijden van de pn-junctie in kaart brengen terwijl de invalshoek werd veranderd door het magnetische veld af te stemmen.

Cruciaal voor de inspanningen van Columbia was de theoretische ondersteuning van de groep van Ghosh aan de Universiteit van Virginia, die gedetailleerde simulatietechnieken ontwikkelde om de gemeten respons van het Columbia-team te modelleren. Dit omvatte het berekenen van de elektronenstroom in grafeen onder de verschillende elektrische en magnetische velden, rekening houdend met meerdere bounces aan randen, en kwantummechanische tunneling op de kruising. De theoretische analyse werpt ook licht op waarom het zo moeilijk was om de voorspelde Veselago-lens op een robuuste manier te meten, en de groep ontwikkelt op basis van deze studie nieuwe multi-junction-apparaatarchitecturen. Samen gaven de experimentele gegevens en theoretische simulatie de onderzoekers een visuele kaart van de breking, en stelde hen in staat om als eersten de relatie tussen de invallende en gebroken hoeken kwantitatief te bevestigen (bekend als de wet van Snell in de optica), evenals bevestiging van de grootte van de uitgezonden intensiteit als functie van de hoek (bekend als de Fresnel-coëfficiënten in optica).

"Op veel manieren, deze transmissie-intensiteit is een meer cruciale parameter, " zegt Gosh, "aangezien het de waarschijnlijkheid bepaalt dat elektronen daadwerkelijk voorbij de barrière komen, in plaats van alleen hun gebroken hoeken. De transmissie bepaalt uiteindelijk veel van de prestatiestatistieken voor apparaten op basis van deze effecten, zoals de aan-uit verhouding in een schakelaar, bijvoorbeeld."