p Uma equipe liderada por Cory Dean, professor assistente de física na Universidade de Columbia, Avik Ghosh, professor de engenharia elétrica e da computação na Universidade da Virgínia, e James Hone, Wang Fong-Jen Professor de Engenharia Mecânica na Columbia Engineering, observou diretamente - pela primeira vez - refração negativa para elétrons passando por uma fronteira entre duas regiões em um material condutor. Previsto pela primeira vez em 2007, este efeito foi difícil de confirmar experimentalmente. Os pesquisadores foram capazes de observar o efeito no grafeno, demonstrando que os elétrons no material atomicamente fino se comportam como raios de luz, que podem ser manipulados por dispositivos ópticos como lentes e prismas. As evidências, que são publicados na edição de 30 de setembro de Ciência , pode levar ao desenvolvimento de novos tipos de interruptores de elétrons, baseado nos princípios da ótica ao invés da eletrônica. p "A capacidade de manipular elétrons em um material condutor, como os raios de luz, abre maneiras inteiramente novas de pensar sobre a eletrônica, "diz Dean." Por exemplo, os interruptores que compõem os chips de computador operam ligando ou desligando todo o dispositivo, e isso consome energia significativa. Usar lentes para direcionar um 'feixe' de elétrons entre os eletrodos pode ser muito mais eficiente, resolver um dos gargalos críticos para obter eletrônicos mais rápidos e com maior eficiência energética. "

p Dean acrescenta, "Essas descobertas também podem permitir novas sondas experimentais. Por exemplo, lentes de elétrons podem permitir versões no chip de um microscópio eletrônico, com a capacidade de realizar diagnósticos e imagens em escala atômica. Outros componentes inspirados na ótica, como divisores de feixe e interferômetros, poderia, adicionalmente, permitir novos estudos da natureza quântica dos elétrons no estado sólido. "

p Embora o grafeno tenha sido amplamente explorado para suportar a alta velocidade do elétron, é notoriamente difícil desligar os elétrons sem prejudicar sua mobilidade. Ghosh diz, "O acompanhamento natural é ver se podemos alcançar um forte desligamento de corrente no grafeno com várias junções angulares. Se isso funcionar para nossa satisfação, teremos em nossas mãos um baixo poder, dispositivo de comutação de ultra-alta velocidade para eletrônicos analógicos (RF) e digitais (CMOS), potencialmente mitigando muitos dos desafios que enfrentamos com o alto custo de energia e orçamento térmico da eletrônica atual. "

p A luz muda de direção - ou refrata - ao passar de um material para outro, um processo que nos permite usar lentes e prismas para focalizar e direcionar a luz. Uma quantidade conhecida como índice de refração determina o grau de curvatura no limite, e é positivo para materiais convencionais como o vidro. Contudo, por meio de engenharia inteligente, também é possível criar "metamateriais" ópticos com um índice negativo, em que o ângulo de refração também é negativo. "Isso pode ter consequências incomuns e dramáticas, "Aperfeiçoar notas." Metamateriais ópticos estão possibilitando novas tecnologias exóticas e importantes, como super lentes, que pode focar além do limite de difração, e mantos ópticos, que tornam os objetos invisíveis ao dobrar a luz em torno deles. "

p Os elétrons que viajam através de condutores muito puros podem viajar em linhas retas como os raios de luz, permitindo o surgimento de fenômenos semelhantes à óptica. Em materiais, a densidade de elétrons desempenha um papel semelhante ao índice de refração, e os elétrons refratam quando passam de uma região de uma densidade para outra. Além disso, os portadores de corrente em materiais podem se comportar como se fossem carregados negativamente (elétrons) ou positivamente carregados (buracos), dependendo se eles habitam a banda de condução ou de valência. Na verdade, limites entre os condutores do tipo buraco e do tipo elétron, conhecido como junções p-n ("p" positivo, "n" negativo), formam os blocos de construção de dispositivos elétricos, como diodos e transistores.

p "Ao contrário dos materiais ópticos", diz Hone, "onde a criação de um metamaterial de índice negativo é um desafio de engenharia significativo, a refração de elétrons negativos ocorre naturalmente em materiais de estado sólido em qualquer junção p-n. "

p O desenvolvimento de camadas condutoras bidimensionais em semicondutores de alta pureza como GaAs (arsenieto de gálio) nas décadas de 1980 e 1990 permitiu aos pesquisadores demonstrar pela primeira vez a óptica de elétrons, incluindo os efeitos de refração e lente. Contudo, nestes materiais, elétrons viajam sem espalhar apenas em temperaturas muito baixas, limitando as aplicações tecnológicas. Além disso, a presença de um gap de energia entre a condução e a banda de valência espalha elétrons nas interfaces e evita a observação de refração negativa em junções p-n de semicondutores. Neste estudo, o uso de grafeno pelos pesquisadores, um material 2D com desempenho insuperável à temperatura ambiente e sem lacuna de energia, superou essas duas limitações.

p A possibilidade de refração negativa nas junções de grafeno p-n foi proposta pela primeira vez em 2007 por teóricos que trabalham na Universidade de Lancaster e na Universidade de Columbia. Contudo, a observação deste efeito requer dispositivos extremamente limpos, de modo que os elétrons possam viajar balisticamente, sem espalhar, em longas distâncias. Na última década, uma equipe multidisciplinar na Columbia - incluindo Hone e Dean, junto com Kenneth Shepard, Lau Family Professor de Engenharia Elétrica e professor de engenharia biomédica, Abhay Pasupathy, professor associado de física, e Philip Kim, professor de física na época (agora em Harvard) - trabalhou para desenvolver novas técnicas para construir dispositivos de grafeno extremamente limpos. Esse esforço culminou na demonstração de transporte balístico em 2013 em uma escala de comprimento superior a 20 mícrons. Desde então, eles têm tentado desenvolver uma lente Veselago, que concentra os elétrons em um único ponto usando refração negativa. Mas eles não foram capazes de observar tal efeito e acharam seus resultados intrigantes.

p Em 2015, um grupo da Pohang University of Science and Technology, na Coreia do Sul, relatou a primeira evidência focada em um dispositivo do tipo Veselago. Contudo, a resposta foi fraca, aparecendo na derivada do sinal. A equipe de Columbia decidiu que, para entender completamente por que o efeito foi tão evasivo, eles precisavam isolar e mapear o fluxo de elétrons na junção. Eles utilizaram uma técnica bem desenvolvida chamada "foco magnético" para injetar elétrons na junção p-n. Medindo a transmissão entre eletrodos em lados opostos da junção como uma função da densidade da portadora, eles poderiam mapear a trajetória dos elétrons em ambos os lados da junção p-n conforme o ângulo de incidência era alterado pelo ajuste do campo magnético.

p Crucial para o esforço da Columbia foi o suporte teórico fornecido pelo grupo de Ghosh na Universidade da Virgínia, que desenvolveu técnicas de simulação detalhadas para modelar a resposta medida da equipe de Columbia. Isso envolveu o cálculo do fluxo de elétrons no grafeno sob os vários campos elétricos e magnéticos, contabilizando vários saltos nas bordas, e tunelamento mecânico quântico na junção. A análise teórica também esclareceu porque tem sido tão difícil medir a lente Veselago prevista de uma forma robusta, e o grupo está desenvolvendo novas arquiteturas de dispositivos de múltiplas junções com base neste estudo. Juntos, os dados experimentais e a simulação teórica deram aos pesquisadores um mapa visual da refração, e permitiu que eles fossem os primeiros a confirmar quantitativamente a relação entre os ângulos incidentes e refratados (conhecido como Lei de Snell em óptica), bem como a confirmação da magnitude da intensidade transmitida em função do ângulo (conhecido como coeficientes de Fresnel em óptica).

p "De muitas maneiras, esta intensidade de transmissão é um parâmetro mais crucial, "diz Ghosh, "uma vez que determina a probabilidade de os elétrons realmente passarem pela barreira, em vez de apenas seus ângulos refratados. A transmissão, em última análise, determina muitas das métricas de desempenho para dispositivos com base nesses efeitos, como a relação liga-desliga em um switch, por exemplo."