Det sätt som elektroner strömmar i ett material avgör dess elektroniska egenskaper. Till exempel, när en spänning upprätthålls över ett ledande material, börjar elektroner strömma och genererar en elektrisk ström. Dessa elektroner tros ofta flöda i raka banor och röra sig längs det elektriska fältet, ungefär som en boll som rullar nerför en kulle. Ändå är dessa inte de enda banor som elektroner kan ta:när ett magnetfält appliceras, färdas elektronerna inte längre i raka banor längs det elektriska fältet, utan de böjer sig faktiskt. De böjda elektroniska flödena leder till tvärgående signaler som kallas "Hall"-svar.

Nu, är det möjligt att böja elektroner utan att applicera ett magnetfält? I en studie som nyligen publicerades i Science , rapporterar ett internationellt team av forskare att cirkulärt polariserat ljus kan inducera böjda elektroniska flöden i tvåskiktsgrafen. Studien har utförts av ett team som inkluderar ICFO-forskarna Jianbo Yin (för närvarande forskare från Beijing Graphene Institute, Kina), David Barcons, Iacopo Torre, ledd av ICREA-professorn vid ICFO Frank Koppens, i samarbete med Cheng Tan och James Hone från Columbia University, Kenji Watanabe och Takashi Taniguchi från NIMS Japan och prof. Justin Song från Nanyang Technological University (NTU) i Singapore.

Jianbo Yin, första författare till studien, minns hur det hela började. "Denna samarbetsstudie började 2016 med ett samtal mellan Justin Song och Frank Koppens på en vetenskaplig konferens." Som Justin Song förklarar, "Elektroner är inte bara partiklar, utan kan ha en kvantvågliknande natur." I kvantmaterial, såsom tvåskiktsgrafen, kan vågmönstret för elektroner uppvisa en komplex lindning som ofta kallas kvantgeometri. "Frank och jag pratade om möjligheten att utnyttja kvantgeometri i tvåskiktsgrafen för att böja elektronflödet med ljus istället för att använda magnetfält."

Med detta i åtanke bestämde sig Jianbo Yin, en forskare i Frank Koppens team, för att anta utmaningen att experimentellt förverkliga detta ovanliga fenomen. "Vår enhet var mycket komplicerad att bygga. Det tog att bygga många enheter och flyga till Columbia University för att arbeta med Cheng Tan och James Hone för att förbättra enhetens kvalitet."

Kvantgeometri och dalselektivitet

I tvåskiktsgrafen finns det två fickor av elektrondalar (K och K'):när ett vinkelrätt elektriskt fält appliceras kan de kvantgeometriska egenskaperna hos elektroner i dessa två dalar få dem att böjas i motsatta riktningar. Som ett resultat avbryts deras Hall-effekter.

I sin studie fann forskarteamet att genom att applicera cirkulärt polariserat infrarött ljus på tvåskiktsgrafenanordningen kunde de selektivt excitera en specifik dalpopulation av elektroner i materialet, vilket genererade en fotospänning vinkelrätt mot det vanliga elektronflödet. Som Koppens framhåller:"Vi konstruerade nu enheten och inställningarna på ett sådant sätt att ström bara flyter med ljus belysning. Med detta kunde vi undvika bakgrundsljudet som hämmar mätningar och uppnå en känslighet i detekteringen flera storleksordningar bättre än något annat 2D-material." Denna utveckling är betydande eftersom konventionella fotodetektorer ofta kräver stora spänningsförspänningar som kan leda till "mörka strömmar" som flyter även när det inte finns något ljus.

Yin anmärker att "vi kan styra böjningen av elektronerna med det elektriska fältet vi applicerar utanför planet. Vi kan ändra böjningsvinkeln för dessa elektroner, vilket kan kvantifieras av Hall-konduktiviteten. Genom att styra spänningsratten, ' Berry-kurvaturen [ett kännetecken för kvantgeometri] kan ställas in, vilket kan leda till en gigantisk Hall-konduktivitet."

Resultaten av studien öppnar en ny värld av många detektions- och bildbehandlingstillämpningar, som Koppens slutligen avslutar. "Sådan upptäckt kan få stora konsekvenser för tillämpningar för infraröd och terahertz-avkänning eftersom tvåskiktsgrafen kan omvandlas från halvmetall till halvledare med ett mycket litet bandgap, så det kan detektera fotoner med mycket små energier. Det kan också vara användbart t.ex. avbildning i rymden, medicinsk avbildning, t.ex. för vävnadshudcancer, eller till och med för säkerhetsapplikationer som kvalitetskontroll av material."

Möjligheterna är mångfaldiga och nästa steg i forskningen fokuserad på nya 2D-material, som moirématerialet vriden dubbelskiktsgrafen, kan hitta nya sätt att kontrollera elektronflöden och okonventionella opto-elektroniska egenskaper. + Utforska vidare

Underskatta inte böljande grafen:Unik elektronik som möjliggörs av vågiga mönster som kanaliserar elektroner