Forskare har lyckats skapa en ny "viskningsgalleri"-effekt för elektroner i ett ark av grafen – vilket gör det möjligt att exakt kontrollera ett område som reflekterar elektroner i materialet. De säger att prestationen kan utgöra en grundläggande byggsten för nya typer av elektroniska linser, såväl som kvantbaserade enheter som kombinerar elektronik och optik.

Det nya systemet använder en nålliknande sond som utgör grunden för dagens scanning tunneling microscopes (STM), möjliggör kontroll av både platsen och storleken på det reflekterande området inom grafen – en tvådimensionell form av kol som bara är en atom tjock.

Det nya fyndet beskrivs i en artikel som publiceras i tidskriften Vetenskap , medförfattare av MIT-professorn i fysik Leonid Levitov och forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST), University of Maryland, Imperial College London, och National Institute for Materials Science (NIMS) i Tsukuba, Japan.

När den skarpa spetsen på STM är placerad över ett ark grafen, den producerar en cirkulär barriär på arket som "fungerar som en perfekt krökt spegel" för elektroner, Levitov säger, reflekterar dem tillbaka mot mitten av cirkeln. Denna kontrollerbara reflektionsförmåga är liknande, han lägger till, till så kallade "whispering gallery"-inneslutningslägen som har använts i optiska och akustiska system – men dessa har inte varit avstämbara eller justerbara.

"Inom optik, viskande gallerilägen är kända och användbara, " Levitov säger. "De ger högkvalitativa resonanser. Men det vanliga problemet inom optik är att de inte går att justera." tidigare försök att skapa kvant "korraler" för elektroner har använt atomer exakt placerade på en yta, som inte enkelt kan konfigureras om.

Instängningen i detta fall produceras av gränsen mellan två olika regioner på grafenytan, motsvarande "p"- och "n"-områdena i en transistor. I detta fall, ett cirkulärt område precis under STM-spetsen antar en polaritet, och den omgivande regionen den motsatta polariteten, skapa en kontrollerbar cirkulär förbindelse mellan de två regionerna. Elektroner inuti ark av grafen beter sig som ljuspartiklar; I detta fall, den cirkulära korsningen fungerar som en krökt spegel som kan fokusera och kontrollera elektronerna.

Det är för tidigt att förutsäga vilka specifika användningsområden som kan hittas för detta fenomen, Levitov säger, men tillägger, "Alla resonatorer kan användas för en mängd olika saker."

Denna elektronresonator kombinerar flera bra egenskaper. Det är helt klart något speciellt med att ha tunbarhet och även hög kvalitet på samma gång."

Eftersom det nya systemet är baserat på väletablerad STM-teknik, det skulle kunna utvecklas relativt snabbt till användbara enheter, Levitov föreslår. Och bekvämt, STM skapar inte bara den viskande gallerieffekten, men ger också ett sätt att observera resultaten, att studera fenomenet. "Spetsen fungerar dubbelt i det här fallet, " han säger.

Detta kan vara ett steg mot skapandet av elektroniska linser, Levitov säger - "ett koncept som fascinerar grafenforskare." I princip, dessa skulle kunna ge ett sätt att observera föremål som är en tusendel av storleken på de synliga med hjälp av ljusvågor.

Elektroniska linser skulle representera ett fundamentalt annorlunda tillvägagångssätt från befintliga elektronmikroskop, som bombarderar en yta med högenergistrålar av elektroner, utplånar alla subtila effekter inom de objekt som observeras. Elektronlinser, däremot skulle kunna observera de omgivande lågenergielektronerna i själva objektet.

Detta skulle kunna göra det möjligt att studera "subtila saker om hur laddningsbärare beter sig på mikroskopisk nivå, som du inte kan se från utsidan, " säger Levitov.

Det nya arbetet av Levitov och hans kollegor tillhandahåller en del av ett sådant system – och potentiellt andra avancerade elektrooptiska system, han säger, såsom negativt brytningsmaterial som har föreslagits som ett slags "osynlighetsmantel". Det nya viskgalleriläget för elektroner är en del av en verktygslåda som kan leda till en hel familj av nya kvantbaserade elektronoptiska enheter. Det kan också användas för att skapa mycket känsliga sensorer, eftersom sådana resonatorer "kan användas för att förbättra din känslighet för mycket små signaler, " säger Levitov.