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, profesor de Ingeniería Mecánica Wang Fong-Jen en Columbia Engineering, directamenteobservó, por primera vez, la refracción negativa para los electrones que pasan a través de 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 pueden ser manipulados por dispositivos ópticos como lentes y prismas. Los hallazgos, publicados en la edición del 30 de septiembre de ciencia , podría conducir al desarrollo de nuevos tipos de interruptores de electrones, basados 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 forman los chips de la computadora funcionan al encender o apagar todo el dispositivo,y esto consume una energía significativa. Usar lentes para dirigir un 'haz' de electrones entre electrodos podría ser dramáticamente más eficiente, resolviendo uno de los cuellos de botella críticos para lograr una electrónica más rápida y eficiente en energía ".
Dean agrega: "Estos resultados 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, comolos divisores de haz y los interferómetros, además, podrían permitir nuevos estudios de la naturaleza cuántica de los electrones en estado sólido ".
Si bien se ha explorado ampliamente el grafeno para soportar una alta velocidad de los electrones, es notoriamente difícil apagar los electrones sin dañar su movilidad. Ghosh dice: "El seguimiento natural es ver si podemos lograr una fuerte desconexión de corrienteen grafeno con múltiples uniones en ángulo. Si eso funciona para nuestra satisfacción, tendremos en nuestras manos un dispositivo de conmutación de baja potencia y ultra alta velocidad para electrónica analógica RF y digital CMOS, que potencialmente mitiga muchos delos 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 ellímite, y es positivo para materiales convencionales como el vidrio. Sin embargo, a través de una ingeniería inteligente, también es posible crear "metamateriales" ópticos con un índice negativo, en el que el ángulo de refracción también es negativo ". Esto puede tener un efecto inusual y dramáticoconsecuencias ", señala Hone." Los metamateriales ópticos están permitiendo nuevas tecnologías exóticas e importantes, como las súper lentes, que pueden enfocarse más allá del límite de difracción, y las capas ópticas, 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 líneas rectas como los rayos de luz, permitiendo que surjan fenómenos ópticos. En los materiales, la densidad de electrones juega un papel similar al índice de refracción, y los electrones se refractan cuando pasan de una regiónde una densidad a otra. Además, los portadores actuales en los materiales pueden comportarse como si estuvieran cargados negativamente electrones o cargados positivamente agujeros, dependiendo de si habitan la conducción o la banda de valencia. De hecho, los límites entre el tipo de agujeroy los conductores de tipo electrónico, conocidos como uniones pn "p" positivo, "n" negativo, forman los bloques de construcción de dispositivos eléctricos como diodos y transistores.
"A diferencia de los materiales ópticos", dice Hone, "donde crear un metamaterial de índice negativo es un desafío de ingeniería significativo, la refracción negativa de electrones ocurre naturalmente en materiales de estado sólido en cualquier unión pn".
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 por primera vez la óptica electrónica, incluidos los efectos de la refracción y la lente. Sin embargo, en estos materiales, los electronesviaja sin dispersión solo a temperaturas muy bajas, lo que limita las aplicaciones tecnológicas.Además, 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 la refracción negativa en las uniones semiconductoras pn. En este estudio, el uso de los investigadoresde grafeno, un material 2D con un rendimiento sin igual a temperatura ambiente y sin brecha de energía, superó ambas limitaciones.
La posibilidad de refracción negativa en las uniones de grafeno pn fue propuesta por primera vez en 2007 por los 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, de modo que los electrones puedan viajar balísticamente, sin dispersión, en largas distancias.En la última década, un equipo multidisciplinario en Columbia, incluidos Hone y Dean, junto con Kenneth Shepard, profesor de ingeniería eléctrica de la familia Lau y profesor de ingeniería biomédica, Abhay Pasupathy, 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 con la demostración de 2013 del transporte balístico en una escala de longitud de más de 20 micras. Desde entonces,han estado intentando desarrollar una lente Veselago, que enfoca los electrones en un solo punto utilizando la refracción negativa.no pudieron observar tal efecto y encontraron sus resultados desconcertantes.
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, apareciendo en la derivada de la señal. El equipo de Columbia decidió entenderlo completamentepor qué el efecto era tan difícil de alcanzar, 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 pn. Al medir la transmisión entre electrodos en lados opuestos dela unión en función de la densidad de la portadora podrían mapear la trayectoria de los electrones en ambos lados de la unión pn, ya que el ángulo incidente se modificó ajustando el campo magnético.
Crucial para el esfuerzo de Columbia fue el apoyo teórico proporcionado por el grupo de Ghosh en la Universidad de Virginia, que 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 los múltiples rebotes en los bordes y el túnel mecánico cuántico en la unión. El análisis teórico también arroja luz sobre por qué ha sido tan difícil medir la lente Veselago predicha de una manera robusta, y el grupo está desarrollando un nuevo dispositivo de unión múltiplearquitecturas 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 la Ley de Snell en óptica,así como la confirmación de la magnitud de la intensidad transmitida en función del ángulo conocido como the coeficientes de Fresnel en óptica.
"En muchos sentidos, esta intensidad de transmisión es un parámetro más crucial", dice Ghosh, "ya que determina la probabilidad de que los electrones realmente pasen la barrera, en lugar de solo sus ángulos refractados. La transmisión finalmente determina muchas de lasmétricas de rendimiento para dispositivos basados en estos efectos, como la relación encendido / apagado en un interruptor, por ejemplo "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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