Cientistas manejam propriedades da luz: avanço pode levar a nova eletrônica

Elétrons no grafeno se comportam como luz, só que melhor. Ilustração de refração através de um meio óptico normal versus o que seria parecido com um meio capaz de realizar a refração negativa. Crédito: Cory Dean, da Universidade de Columbia

Uma equipe liderada por Cory Dean, professor assistente de física na Universidade de Columbia, Avik Ghosh, professor de engenharia elétrica e informática na Universidade de Virginia, e James Hone, Wang Fong-Jen Professor de Engenharia Engenharia Mecânica em Columbia, observaram diretamente pela primeira vez a refração negativa de elétrons que passam através de uma fronteira entre duas regiões em um material condutor. Primeiramente previsto em 2007, este efeito tem sido difícil de confirmar experimentalmente. Os pesquisadores foram capazes de observar o efeito no grafeno, demonstrando que os elétrons em material atomicamente finos se comportam como os raios de luz, que podem ser manipulados por tais dispositivos ópticos como lentes e prismas. Os resultados, que são publicados poderiam levar ao desenvolvimento de novos tipos de interruptores de elétrons, com base nos princípios da óptica em vez de eletrônica.

"A capacidade de manipular elétrons em um material condutor, como os raios de luz abre novas formas de pensar sobre a eletrônica", diz Dean. "Por exemplo, os interruptores que compõem chips de computador operam ligando ou desligando por inteiro, e isso consome energia significativa. Usando lentes para direcionar um elétron entre eletrodos poderia ser dramaticamente mais eficiente, resolvendo um dos gargalos críticos para alcançar dispositivos eletrônicos mais rápido e mais energeticamente eficientes."

Dean acrescenta: "Essas descobertas também podem permitir novas sondas experimentais. Por exemplo, a lente eletrônica pode permitir versões de um microscópio eletrônico, com a capacidade de realizar a escala atômica de imagens e diagnósticos. Outros componentes inspirados por óptica, tais como divisores de feixe e interferômetros, poderiam adicionalmente possibilitar novos estudos sobre a natureza quântica dos elétrons no estado sólido ".

Embora o grafeno tenha sido amplamente explorado para suportar alta velocidade de elétrons, é notoriamente difícil 'desligar' os elétrons sem prejudicar sua mobilidade. Ghosh diz: "O acompanhamento natural é para ver se podemos conseguir uma forte corrente turn-off (que pode ser ligada por um único pulso de corrente positiva no terminal) com grafeno e junções angulares múltiplas. Se isso funcionar para nossa satisfação, teremos um dispositivo ultra rápido com baixíssimo consumo de energia para eletrônica analógica (RF) e digital (CMOS), potencialmente mitigando muitos dos desafios que enfrentamos com o custo de alta energia e orçamento térmico da eletrônica atual.

A luz muda de direção - ou refrata - ao passar de um material para outro, um processo que nos permite usar lentes e prismas para focar e orientar a luz. Uma quantidade conhecida como índice de refração determina o grau de flexão na fronteira, e é positiva para materiais convencionais, tais como vidro. No entanto, através 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 conseqüências incomuns e dramáticas", observa Hone. "Os metamateriais ópticos estão permitindo novas tecnologias exóticas e importantes, como super lentes, que podem se concentrar além do limite de difração, e capas ópticas, que tornam os objetos invisíveis dobrando luz em torno deles.

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

Uma ilustração de uma refração de elétrons balísticos através de uma junção PN em alta grafeno pureza. Crédito: Cory Dean, da Universidade de Columbia

"Ao contrário de materiais ópticos", diz Hone, "onde a criação de um metamaterial de índice negativo é um desafio de engenharia significativo,refração negativa de elétrons ocorre naturalmente em materiais no estado sólido em qualquer junção p-n". O desenvolvimento de camadas condutoras bidimensionais em semicondutores de alta pureza, como o GaAs (arseneto de gálio) nos anos 80 e 90, permitiu aos pesquisadores demonstrar pela primeira vez a eletrônica óptica, incluindo os efeitos da refração e da lente. No entanto, nesses materiais, os elétrons viajam sem espalhar apenas a temperaturas muito baixas, limitando aplicações tecnológicas. Além disso, a presença de um intervalo de energia entre a banda de condução e de valência dispersa os elétrons nas interfaces e evita a observação da refração negativa nas junções p-n de semicondutores. Neste estudo, o uso dos pesquisadores de grafeno, um material 2D com desempenho insuperável em temperatura ambiente e nenhum hiato de energia, superou ambas as limitações.

No entanto, a observação deste efeito requer dispositivos extremamente limpos, de tal modo que os elétrons podem viajar balisticamente, sem espalhar, por longas distâncias. Na última década, uma equipe multidisciplinar na Columbia - incluindo Hone e Dean, juntamente com Kenneth Shepard, Lau Professor da Família de Engenharia Elétrica e professor de engenharia biomédica, Abhay Pasupathy, professor associado de física, e Philip Kim, professor de física no (Agora em Harvard) - trabalhou para desenvolver novas técnicas para construir dispositivos de grafeno extremamente limpos. Este esforço culminou na demonstração de 2013 de transporte balístico sobre uma escala de comprimento superior a 20 microns. Desde então, têm-se tentado desenvolver uma lente de Veselago, que focaliza elétrons a um único ponto usando a refração negativa. Mas eles foram incapazes de observar tal efeito e acharam seus resultados intrigantes.

Em 2015, um grupo na Universidade de Ciência e Tecnologia de Pohang na Coreia do Sul relatou a primeira evidência focalizando em um dispositivo do tipo Veselago. No entanto, a resposta foi fraca, aparecendo na derivada do sinal. A equipe de Columbia decidiu que para entender completamente por que o efeito era tão difícil, eles precisavam isolar e mapear o fluxo de elétrons através da junção. Eles utilizaram uma técnica bem desenvolvida chamada "focagem magnética" para injetar elétrons na junção p-n. Medindo a transmissão entre eléctrodos em lados opostos da junção como uma função da densidade do portador poderiam traçar a trajetória de elétrons em ambos os lados da junção p-n enquanto que o ângulo incidente foi mudado ajustando o campo magnético.

Crucial para o esforço de Colômbia foi o apoio teórico fornecido pelo grupo de Ghosh na Universidade de Virgínia, que desenvolveu técnicas de simulação detalhadas para modelar a resposta medida da equipe Columbia. Isso envolveu o cálculo do fluxo de elétrons no grafeno sob os vários campos elétricos e magnéticos, representando múltiplos saltos nas bordas e o túnel mecânico quântico na junção. A análise teórica também esclareceram por que foi tão difícil medir a lente prevista do Veselago de forma robusta, e o grupo está desenvolvendo novas arquiteturas de dispositivos multi-junção baseadas neste estudo. Juntos, os dados experimentais e a simulação teórica deram aos pesquisadores um mapa visual da refração e permitiram que fossem os primeiros a confirmar quantitativamente a relação entre os ângulos incidente e refracionado (conhecida como Lei de Snell em óptica), bem como a confirmação da Magnitude da intensidade transmitida em função do ângulo (conhecidos como coeficientes de Fresnel em óptica).

"Em muitos aspectos, essa intensidade de transmissão é um parâmetro mais crucial", diz Ghosh, "uma vez que determina a probabilidade de que os elétrons realmente passam além da barreira, em vez de apenas seus ângulos refratados. A transmissão finalmente determina muitas das métricas de desempenho para dispositivos baseados nestes efeitos, tais como a relação de ligar / desligar num comutador, por exemplo. "

Fonte: http://science.sciencemag.org/content/353/6307/1522

http://phys.org/news/2016-10-electrons-graphene.html

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