Ett team ledd av Cory Dean, biträdande professor i fysik vid Columbia University, Avik Ghosh, professor i el- och datateknik vid University of Virginia, och James Hone, Wang Fong-Jen professor i maskinteknik vid Columbia Engineering, har direkt observerat – för första gången – negativ refraktion för elektroner som passerar över en gräns mellan två regioner i ett ledande material. Förutspåddes först 2007, denna effekt har varit svår att bekräfta experimentellt. Forskarna kunde observera effekten i grafen, visar att elektroner i det atomärt tunna materialet beter sig som ljusstrålar, som kan manipuleras av sådana optiska anordningar som linser och prismor. Resultaten, som publiceras i 30 september-upplagan av Vetenskap , kan leda till utvecklingen av nya typer av elektronswitchar, baserad på principerna om optik snarare än elektronik.

"Förmågan att manipulera elektroner i ett ledande material som ljusstrålar öppnar helt nya sätt att tänka om elektronik, säger Dean. Till exempel, strömbrytarna som utgör datorchips fungerar genom att slå på eller stänga av hela enheten, och detta förbrukar betydande ström. Att använda linser för att styra en elektronstråle mellan elektroderna skulle kunna vara dramatiskt effektivare, lösa en av de kritiska flaskhalsarna för att uppnå snabbare och mer energieffektiv elektronik."

Dean tillägger, "Dessa fynd kan också möjliggöra nya experimentella sonder. Till exempel, elektronlinsning kan möjliggöra on-chip versioner av ett elektronmikroskop, med förmågan att utföra avbildning och diagnostik i atomär skala. Andra komponenter inspirerade av optik, såsom stråldelare och interferometrar, skulle dessutom möjliggöra nya studier av kvantnaturen hos elektroner i fast tillstånd."

Medan grafen har undersökts mycket för att stödja hög elektronhastighet, det är notoriskt svårt att stänga av elektronerna utan att skada deras rörlighet. Ghosh säger, "Den naturliga uppföljningen är att se om vi kan uppnå en stark strömavstängning i grafen med flera vinklade korsningar. Om det fungerar till vår belåtenhet, vi kommer att ha en lågeffekt, ultrahöghastighetsomkopplingsenhet för både analog (RF) och digital (CMOS) elektronik, potentiellt mildrar många av de utmaningar vi står inför med dagens elektroniks höga energikostnader och termiska budget."

Ljus ändrar riktning - eller bryts - när det går från ett material till ett annat, en process som gör att vi kan använda linser och prismor för att fokusera och styra ljuset. En storhet som kallas brytningsindex bestämmer graden av böjning vid gränsen, och är positivt för konventionella material som glas. Dock, genom smart ingenjörskonst, det är också möjligt att skapa optiska "metamaterial" med ett negativt index, där brytningsvinkeln också är negativ. "Detta kan få ovanliga och dramatiska konsekvenser, " Finslipa anteckningar. "Optiska metamaterial möjliggör exotiska och viktiga nya teknologier som superlinser, som kan fokusera bortom diffraktionsgränsen, och optiska kappor, som gör föremål osynliga genom att böja ljus runt dem."

Elektroner som färdas genom mycket rena ledare kan färdas i raka linjer som ljusstrålar, gör det möjligt för optikliknande fenomen att uppstå. I material, elektrontätheten spelar en liknande roll som brytningsindex, och elektroner bryts när de passerar från ett område med en densitet till ett annat. Dessutom, strömbärare i material kan antingen bete sig som om de är negativt laddade (elektroner) eller positivt laddade (hål), beroende på om de bebor lednings- eller valensbandet. Faktiskt, gränser mellan ledare av håltyp och elektrontyp, kända som p-n-korsningar ("p" positiva, "n" negativ), utgör byggstenarna i elektriska apparater som dioder och transistorer.

"Till skillnad från optiska material", säger Hone, "där att skapa ett negativt indexmetamaterial är en betydande ingenjörsutmaning, negativ elektronbrytning sker naturligt i material i fast tillstånd vid vilken p-n-övergång som helst."

Utvecklingen av tvådimensionella ledande skikt i halvledare med hög renhet som GaAs (Galliumarsenid) på 1980- och 1990-talen gjorde det möjligt för forskare att först demonstrera elektronoptik inklusive effekterna av både refraktion och linsning. Dock, i dessa material, elektroner färdas utan att spridas endast vid mycket låga temperaturer, begränsa tekniska tillämpningar. Vidare, närvaron av ett energigap mellan lednings- och valensbandet sprider elektroner vid gränssnitt och förhindrar observation av negativ brytning i halvledar-p-n-övergångar. I den här studien, forskarnas användning av grafen, ett 2D-material med oöverträffad prestanda vid rumstemperatur och inget energigap, övervann båda dessa begränsningar.

Möjligheten till negativ brytning vid grafen p-n-korsningar föreslogs först 2007 av teoretiker som arbetar vid både University of Lancaster och Columbia University. Dock, observation av denna effekt kräver extremt rena enheter, så att elektronerna kan färdas ballistiskt, utan att sprida, över långa avstånd. Under det senaste decenniet, ett multidisciplinärt team på Columbia - inklusive Hone och Dean, tillsammans med Kenneth Shepard, Lau familjeprofessor i elektroteknik och professor i biomedicinsk teknik, Abhay Pasupati, docent i fysik, och Philip Kim, professor i fysik vid den tiden (nu vid Harvard) - har arbetat med att utveckla nya tekniker för att konstruera extremt rena grafenenheter. Denna insats kulminerade i demonstrationen 2013 av ballistisk transport över en längdskala över 20 mikron. Sedan dess, de har försökt utveckla en Veselago-lins, som fokuserar elektroner till en enda punkt med hjälp av negativ brytning. Men de kunde inte observera en sådan effekt och tyckte att deras resultat var förbryllande.

2015, en grupp vid Pohang University of Science and Technology i Sydkorea rapporterade de första bevisen som fokuserade på en enhet av Veselago-typ. Dock, responsen var svag, visas i signalderivatan. Columbia-teamet beslutade att för att fullt ut förstå varför effekten var så svårfångad, de behövde isolera och kartlägga flödet av elektroner över korsningen. De använde en välutvecklad teknik som kallas "magnetisk fokusering" för att injicera elektroner på p-n-övergången. Genom att mäta transmissionen mellan elektroder på motsatta sidor av korsningen som en funktion av bärartätheten kunde de kartlägga banan för elektroner på båda sidor om p-n-övergången när infallsvinkeln ändrades genom att justera magnetfältet.

Avgörande för Columbia-insatsen var det teoretiska stödet från Ghoshs grupp vid University of Virginia, som utvecklade detaljerade simuleringstekniker för att modellera Columbia-teamets uppmätta respons. Detta innebar att beräkna flödet av elektroner i grafen under de olika elektriska och magnetiska fälten, står för flera studsar vid kanter, och kvantmekanisk tunnling vid korsningen. Den teoretiska analysen belyser också varför det har varit så svårt att mäta den förutsagda Veselago-linsen på ett robust sätt, och gruppen utvecklar nya multi-junction enhetsarkitekturer baserat på denna studie. Tillsammans gav experimentdata och teoretisk simulering forskarna en visuell karta över brytningen, och gjorde det möjligt för dem att vara de första att kvantitativt bekräfta sambandet mellan händelsen och brutna vinklar (känd som Snells lag inom optik), samt bekräftelse av storleken på den överförda intensiteten som en funktion av vinkeln (känd som Fresnel-koefficienterna inom optik).

"På många sätt, denna överföringsintensitet är en mer avgörande parameter, " säger Ghosh, "eftersom det bestämmer sannolikheten att elektroner faktiskt tar sig förbi barriären, snarare än bara deras brutna vinklar. Överföringen bestämmer i slutändan många av prestandamåtten för enheter baserat på dessa effekter, såsom på/av-förhållandet i en strömbrytare, till exempel."