Un equipo dirigido por Cory Dean, profesor asistente de física en la Universidad de Columbia, Avik Ghosh, profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Virginia, y James Hone, Wang Fong-Jen, profesor de ingeniería mecánica en Columbia Engineering, ha observado directamente, por primera vez, la refracción negativa de los electrones que atraviesan un límite entre dos regiones en un material conductor. Predicho por primera vez en 2007, este efecto ha sido difícil de confirmar experimentalmente. Los investigadores pudieron observar el efecto en el grafeno, demostrando que los electrones en el material atómicamente delgado se comportan como rayos de luz, que puede ser manipulado por dispositivos ópticos como lentes y prismas. Los resultados, que se publican en la edición del 30 de septiembre de Ciencias , podría conducir al desarrollo de nuevos tipos de interruptores de electrones, basado en los principios de la óptica en lugar de la electrónica.

"La capacidad de manipular electrones en un material conductor como los rayos de luz abre formas completamente nuevas de pensar sobre la electrónica, "dice Dean". Por ejemplo, los interruptores que componen los chips de computadora funcionan encendiendo o apagando todo el dispositivo, y esto consume una cantidad significativa de energía. Usar lentes para dirigir un 'haz' de electrones entre electrodos podría ser mucho más eficiente, resolviendo uno de los cuellos de botella críticos para lograr una electrónica más rápida y con mayor eficiencia energética ".

Dean agrega, "Estos hallazgos también podrían permitir nuevas sondas experimentales. Por ejemplo, la lente electrónica podría permitir versiones en chip de un microscopio electrónico, con la capacidad de realizar imágenes y diagnósticos a escala atómica. Otros componentes inspirados en la óptica, como divisores de haz e interferómetros, además, podría permitir nuevos estudios de la naturaleza cuántica de los electrones en estado sólido ".

Si bien el grafeno se ha explorado ampliamente para soportar una alta velocidad de electrones, es notoriamente difícil apagar los electrones sin dañar su movilidad. Ghosh dice:"El seguimiento natural es ver si podemos lograr un corte de corriente fuerte en el grafeno con múltiples uniones en ángulo. Si eso funciona a nuestra satisfacción, tendremos en nuestras manos un bajo consumo, Dispositivo de conmutación de ultra alta velocidad para electrónica analógica (RF) y digital (CMOS), mitigando potencialmente muchos de los desafíos que enfrentamos con el alto costo de energía y el presupuesto térmico de la electrónica actual ".

La luz cambia de dirección, o se refracta, al pasar de un material a otro, un proceso que nos permite usar lentes y prismas para enfocar y dirigir la luz. Una cantidad conocida como índice de refracción determina el grado de flexión en el límite, y es positivo para materiales convencionales como el vidrio. Sin embargo, a través de una ingeniosa ingeniería, también es posible crear "metamateriales" ópticos con un índice negativo, en el que el ángulo de refracción también es negativo. "Esto puede tener consecuencias inusuales y dramáticas, "Hone notes". Los metamateriales ópticos están permitiendo nuevas tecnologías exóticas e importantes, como superlentes, que puede enfocar más allá del límite de difracción, y mantos ópticos, que hacen que los objetos sean invisibles al doblar la luz a su alrededor ".

Los electrones que viajan a través de conductores muy puros pueden viajar en línea recta como rayos de luz, permitiendo que surjan fenómenos similares a la óptica. En materiales, la densidad de electrones juega un papel similar al índice de refracción, y los electrones se refractan cuando pasan de una región de una densidad a otra. Es más, Los portadores de corriente en los materiales pueden comportarse como si estuvieran cargados negativamente (electrones) o cargados positivamente (huecos), dependiendo de si habitan la banda de conducción o de valencia. De hecho, límites entre conductores de tipo hueco y de tipo electrónico, conocidas como uniones p-n ("p" positivo, "n" negativo), forman los componentes básicos de dispositivos eléctricos como diodos y transistores.

"A diferencia de los materiales ópticos", dice Hone, "donde la creación de un metamaterial de índice negativo es un desafío de ingeniería importante, la refracción de electrones negativos ocurre naturalmente en materiales en estado sólido en cualquier unión p-n ".

El desarrollo de capas conductoras bidimensionales en semiconductores de alta pureza como GaAs (arseniuro de galio) en las décadas de 1980 y 1990 permitió a los investigadores demostrar primero la óptica electrónica, incluidos los efectos tanto de la refracción como de la lente. Sin embargo, en estos materiales, los electrones viajan sin dispersarse solo a temperaturas muy bajas, limitar las aplicaciones tecnológicas. Es más, la presencia de una brecha de energía entre la conducción y la banda de valencia dispersa los electrones en las interfaces y evita la observación de refracción negativa en las uniones p-n de los semiconductores. En este estudio, el uso de grafeno por parte de los investigadores, un material 2D con un rendimiento insuperable a temperatura ambiente y sin brecha de energía, superó ambas limitaciones.

La posibilidad de refracción negativa en las uniones p-n del grafeno fue propuesta por primera vez en 2007 por teóricos que trabajan tanto en la Universidad de Lancaster como en la Universidad de Columbia. Sin embargo, La observación de este efecto requiere dispositivos extremadamente limpios, tal que los electrones puedan viajar balísticamente, sin esparcir, Sobre largas distancias. En la última década, un equipo multidisciplinario en Columbia, que incluye a Hone y Dean, junto con Kenneth Shepard, Lau Family Profesor de Ingeniería Eléctrica y profesor de ingeniería biomédica, Abhay Pasupatía, profesor asociado de física, y Philip Kim, profesor de física en ese momento (ahora en Harvard), ha trabajado para desarrollar nuevas técnicas para construir dispositivos de grafeno extremadamente limpios. Este esfuerzo culminó en la demostración de 2013 del transporte balístico en una escala de longitud de más de 20 micrones. Desde entonces, han estado intentando desarrollar una lente Veselago, que enfoca los electrones en un solo punto usando refracción negativa. Pero no pudieron observar tal efecto y encontraron desconcertantes sus resultados.

En 2015, un grupo de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang en Corea del Sur informó la primera evidencia centrada en un dispositivo tipo Veselago. Sin embargo, la respuesta fue débil, que aparece en la derivada de la señal. El equipo de Columbia decidió que para comprender completamente por qué el efecto era tan esquivo, necesitaban aislar y mapear el flujo de electrones a través de la unión. Utilizaron una técnica bien desarrollada llamada "enfoque magnético" para inyectar electrones en la unión p-n. Al medir la transmisión entre electrodos en lados opuestos de la unión en función de la densidad del portador, pudieron mapear la trayectoria de los electrones en ambos lados de la unión p-n a medida que el ángulo de incidencia cambiaba sintonizando el campo magnético.

Crucial para el esfuerzo de Columbia fue el apoyo teórico proporcionado por el grupo de Ghosh en la Universidad de Virginia, quien desarrolló técnicas de simulación detalladas para modelar la respuesta medida del equipo de Columbia. Esto implicó calcular el flujo de electrones en el grafeno bajo los diversos campos eléctricos y magnéticos, teniendo en cuenta múltiples rebotes en los bordes, y tunelización de la mecánica cuántica en la unión. El análisis teórico también arrojó luz sobre por qué ha sido tan difícil medir las lentes Veselago predichas de una manera robusta. y el grupo está desarrollando nuevas arquitecturas de dispositivos de múltiples conexiones basadas en este estudio. Juntos, los datos experimentales y la simulación teórica dieron a los investigadores un mapa visual de la refracción, y les permitió ser los primeros en confirmar cuantitativamente la relación entre el incidente y los ángulos refractados (conocida como Ley de Snell en óptica), así como la confirmación de la magnitud de la intensidad transmitida en función del ángulo (conocidos como coeficientes de Fresnel en óptica).

"De muchas maneras, esta intensidad de transmisión es un parámetro más crucial, "dice Ghosh, "dado que determina la probabilidad de que los electrones realmente pasen la barrera, en lugar de solo sus ángulos refractados. En última instancia, la transmisión determina muchas de las métricas de rendimiento de los dispositivos en función de estos efectos, como la relación de encendido y apagado en un interruptor, por ejemplo."