Un team guidato da Cory Dean, assistente professore di fisica alla Columbia University, Avik Ghosh, professore di ingegneria elettrica e informatica presso l'Università della Virginia, e James Hone, Wang Fong-Jen Professore di Ingegneria Meccanica presso la Columbia Engineering, ha osservato direttamente, per la prima volta, la rifrazione negativa per gli elettroni che passano attraverso un confine tra due regioni in un materiale conduttore. Previsto per la prima volta nel 2007, questo effetto è stato difficile da confermare sperimentalmente. I ricercatori sono stati in grado di osservare l'effetto nel grafene, dimostrando che gli elettroni nel materiale atomicamente sottile si comportano come raggi di luce, che possono essere manipolati da dispositivi ottici come lenti e prismi. Le scoperte, che sono pubblicati nell'edizione del 30 settembre di Scienza , potrebbe portare allo sviluppo di nuovi tipi di interruttori elettronici, basato sui principi dell'ottica piuttosto che dell'elettronica.

"La capacità di manipolare gli elettroni in un materiale conduttore come i raggi luminosi apre modi completamente nuovi di pensare all'elettronica, " dice Dean. "Per esempio, gli interruttori che compongono i chip del computer funzionano accendendo o spegnendo l'intero dispositivo, e questo consuma una potenza significativa. L'uso di lenti per guidare un "raggio" di elettroni tra gli elettrodi potrebbe essere notevolmente più efficiente, risolvendo uno dei colli di bottiglia critici per ottenere un'elettronica più veloce e più efficiente dal punto di vista energetico."

Dean aggiunge, "Questi risultati potrebbero anche consentire nuove sonde sperimentali. Ad esempio, la lente elettronica potrebbe consentire versioni su chip di un microscopio elettronico, con la capacità di eseguire imaging e diagnostica su scala atomica. Altri componenti ispirati all'ottica, come divisori di fascio e interferometri, potrebbe inoltre consentire nuovi studi sulla natura quantistica degli elettroni allo stato solido".

Mentre il grafene è stato ampiamente esplorato per supportare l'elevata velocità degli elettroni, è notoriamente difficile spegnere gli elettroni senza danneggiarne la mobilità. Ghosh dice, "Il follow-up naturale è vedere se possiamo ottenere una forte interruzione della corrente nel grafene con giunzioni angolate multiple. Se funziona con nostra soddisfazione, avremo tra le mani un basso potere, dispositivo di commutazione ad altissima velocità per elettronica analogica (RF) e digitale (CMOS), potenzialmente mitigando molte delle sfide che affrontiamo con l'alto costo energetico e il budget termico dell'elettronica attuale."

La luce cambia direzione - o si rifrange - quando passa da un materiale all'altro, un processo che ci permette di utilizzare lenti e prismi per focalizzare e orientare la luce. Una quantità nota come indice di rifrazione determina il grado di flessione al confine, ed è positivo per materiali convenzionali come il vetro. Però, attraverso un'ingegnosa ingegneria, è anche possibile creare "metamateriali" ottici con indice negativo, in cui anche l'angolo di rifrazione è negativo. "Questo può avere conseguenze insolite e drammatiche, " Hone note. "I metamateriali ottici stanno consentendo nuove tecnologie esotiche e importanti come le super lenti, che può mettere a fuoco oltre il limite di diffrazione, e mantelli ottici, che rendono gli oggetti invisibili piegando la luce intorno ad essi."

Gli elettroni che viaggiano attraverso conduttori molto puri possono viaggiare in linea retta come i raggi luminosi, permettendo l'emergere di fenomeni simili all'ottica. Nei materiali, la densità elettronica gioca un ruolo simile all'indice di rifrazione, e gli elettroni si rifrangono quando passano da una regione di una densità all'altra. Inoltre, i portatori di corrente nei materiali possono comportarsi come se fossero carichi negativamente (elettroni) o caricati positivamente (buchi), a seconda che abitino la banda di conduzione o quella di valenza. Infatti, confini tra conduttori di tipo lacunoso e di tipo elettronico, note come giunzioni p-n ("p" positivo, "n" negativo), costituiscono gli elementi costitutivi di dispositivi elettrici come diodi e transistor.

"Diversamente dai materiali ottici", dice Hone, "dove la creazione di un metamateriale indice negativo è una sfida ingegneristica significativa, la rifrazione elettronica negativa si verifica naturalmente nei materiali allo stato solido in corrispondenza di qualsiasi giunzione p-n."

Lo sviluppo di strati conduttori bidimensionali in semiconduttori di elevata purezza come GaAs (arseniuro di gallio) negli anni '80 e '90 ha permesso ai ricercatori di dimostrare per la prima volta l'ottica elettronica, compresi gli effetti sia della rifrazione che della lente. Però, in questi materiali, gli elettroni viaggiano senza dispersione solo a temperature molto basse, limitando le applicazioni tecnologiche. Per di più, la presenza di un gap energetico tra la banda di conduzione e quella di valenza disperde gli elettroni alle interfacce e impedisce l'osservazione della rifrazione negativa nelle giunzioni p-n dei semiconduttori. In questo studio, l'uso del grafene da parte dei ricercatori, un materiale 2D con prestazioni insuperabili a temperatura ambiente e nessun gap energetico, superato entrambi questi limiti.

La possibilità di rifrazione negativa nelle giunzioni p-n del grafene è stata proposta per la prima volta nel 2007 da teorici che lavoravano sia all'Università di Lancaster che alla Columbia University. Però, l'osservazione di questo effetto richiede dispositivi estremamente puliti, tale che gli elettroni possono viaggiare balisticamente, senza dispersione, su lunghe distanze. Nell'ultimo decennio, un team multidisciplinare alla Columbia - tra cui Hone e Dean, insieme a Kenneth Shepard, Lau Family Professore di ingegneria elettrica e professore di ingegneria biomedica, Abhay Pasupatia, professore associato di fisica, e Filippo Kim, professore di fisica all'epoca (ora ad Harvard) - ha lavorato per sviluppare nuove tecniche per costruire dispositivi di grafene estremamente puliti. Questo sforzo è culminato nella dimostrazione del 2013 del trasporto balistico su una scala di lunghezza superiore a 20 micron. Da allora, hanno cercato di sviluppare un obiettivo Veselago, che focalizza gli elettroni in un singolo punto usando la rifrazione negativa. Ma non furono in grado di osservare un tale effetto e trovarono i loro risultati sconcertanti.

Nel 2015, un gruppo della Pohang University of Science and Technology in Corea del Sud ha riportato le prime prove incentrate su un dispositivo di tipo Veselago. Però, la risposta è stata debole, che compare nella derivata del segnale. Il team della Columbia ha deciso che per comprendere appieno il motivo per cui l'effetto fosse così sfuggente, avevano bisogno di isolare e mappare il flusso di elettroni attraverso la giunzione. Hanno utilizzato una tecnica ben sviluppata chiamata "messa a fuoco magnetica" per iniettare elettroni sulla giunzione p-n. Misurando la trasmissione tra gli elettrodi sui lati opposti della giunzione in funzione della densità del vettore, è stato possibile mappare la traiettoria degli elettroni su entrambi i lati della giunzione p-n poiché l'angolo di incidenza è stato modificato sintonizzando il campo magnetico.

Fondamentale per lo sforzo della Columbia fu il supporto teorico fornito dal gruppo di Ghosh all'Università della Virginia, che ha sviluppato tecniche di simulazione dettagliate per modellare la risposta misurata del team Columbia. Ciò ha comportato il calcolo del flusso di elettroni nel grafene sotto i vari campi elettrici e magnetici, tenendo conto di più rimbalzi ai bordi, e tunneling meccanico quantistico alla giunzione. L'analisi teorica ha anche fatto luce sul motivo per cui è stato così difficile misurare la lente Veselago prevista in modo robusto, e il gruppo sta sviluppando nuove architetture di dispositivi multi-giunzione basate su questo studio. Insieme i dati sperimentali e la simulazione teorica hanno fornito ai ricercatori una mappa visiva della rifrazione, e ha permesso loro di essere i primi a confermare quantitativamente la relazione tra l'incidente e gli angoli rifratti (nota come legge di Snell in ottica), nonché la conferma dell'ampiezza dell'intensità trasmessa in funzione dell'angolo (noti come coefficienti di Fresnel in ottica).

"In molti modi, questa intensità di trasmissione è un parametro più cruciale, "dice Gosh, "poiché determina la probabilità che gli elettroni superino effettivamente la barriera, piuttosto che solo i loro angoli rifratti. La trasmissione determina in definitiva molte delle metriche delle prestazioni per i dispositivi in ​​base a questi effetti, come il rapporto on-off in un interruttore, Per esempio."