Une équipe dirigée par Cory Dean, professeur adjoint de physique à l'Université de Columbia, Avik Gosh, professeur de génie électrique et informatique à l'Université de Virginie, et James Hone, Wang Fong-Jen Professeur de génie mécanique à Columbia Engineering, a directement observé - pour la première fois - une réfraction négative pour les électrons traversant une frontière entre deux régions dans un matériau conducteur. Prévu pour la première fois en 2007, cet effet a été difficile à confirmer expérimentalement. Les chercheurs ont pu observer l'effet dans le graphène, démontrant que les électrons dans le matériau atomiquement mince se comportent comme des rayons lumineux, qui peuvent être manipulés par des dispositifs optiques tels que des lentilles et des prismes. Les résultats, qui sont publiés dans l'édition du 30 septembre de Science , pourrait conduire au développement de nouveaux types de commutateurs électroniques, basé sur les principes de l'optique plutôt que de l'électronique.

"La capacité de manipuler des électrons dans un matériau conducteur comme les rayons lumineux ouvre de toutes nouvelles façons de penser à l'électronique, " dit Dean. " Par exemple, les commutateurs qui composent les puces informatiques fonctionnent en allumant ou en éteignant l'ensemble de l'appareil, et cela consomme beaucoup d'énergie. L'utilisation de lentilles pour diriger un « faisceau » d'électrons entre les électrodes pourrait être considérablement plus efficace, résolvant l'un des goulots d'étranglement critiques pour obtenir une électronique plus rapide et plus économe en énergie."

Dean ajoute, "Ces résultats pourraient également permettre de nouvelles sondes expérimentales. Par exemple, la lentille électronique pourrait permettre des versions sur puce d'un microscope électronique, avec la capacité d'effectuer des images et des diagnostics à l'échelle atomique. D'autres composants inspirés de l'optique, tels que les séparateurs de faisceaux et les interféromètres, pourrait en outre permettre de nouvelles études sur la nature quantique des électrons à l'état solide."

Alors que le graphène a été largement exploré pour soutenir la vitesse élevée des électrons, il est notoirement difficile d'éteindre les électrons sans nuire à leur mobilité. Gosh dit, "Le suivi naturel est de voir si nous pouvons obtenir une forte coupure de courant dans le graphène avec plusieurs jonctions angulaires. Si cela fonctionne à notre satisfaction, nous aurons sur nos mains une faible puissance, dispositif de commutation ultra-rapide pour l'électronique analogique (RF) et numérique (CMOS), atténuant potentiellement bon nombre des défis auxquels nous sommes confrontés avec le coût énergétique élevé et le budget thermique de l'électronique d'aujourd'hui."

La lumière change de direction - ou se réfracte - en passant d'un matériau à un autre, un processus qui nous permet d'utiliser des lentilles et des prismes pour focaliser et diriger la lumière. Une quantité connue sous le nom d'indice de réfraction détermine le degré de flexion à la frontière, et est positif pour les matériaux conventionnels tels que le verre. Cependant, grâce à une ingénierie intelligente, il est également possible de créer des "métamatériaux" optiques à indice négatif, dans laquelle l'angle de réfraction est également négatif. "Cela peut avoir des conséquences inhabituelles et dramatiques, " note Hone. " Les métamatériaux optiques permettent de nouvelles technologies exotiques et importantes telles que les super lentilles, qui peut focaliser au-delà de la limite de diffraction, et capes optiques, qui rendent les objets invisibles en infléchissant la lumière autour d'eux."

Les électrons traversant des conducteurs très purs peuvent voyager en ligne droite comme des rayons lumineux, permettant l'émergence de phénomènes de type optique. Dans les matériaux, la densité électronique joue un rôle similaire à l'indice de réfraction, et les électrons se réfractent lorsqu'ils passent d'une région d'une densité à une autre. De plus, les porteurs de courant dans les matériaux peuvent se comporter comme s'ils étaient chargés négativement (électrons) ou positivement (trous), selon qu'ils habitent la bande de conduction ou la bande de valence. En réalité, frontières entre les conducteurs de type trou et de type électronique, appelées jonctions p-n ("p" positives, "n" négatif), forment les éléments constitutifs des appareils électriques tels que les diodes et les transistors.

"Contrairement aux matériaux optiques", dit Hone, "où la création d'un métamatériau à indice négatif est un défi d'ingénierie important, la réfraction négative des électrons se produit naturellement dans les matériaux à l'état solide à n'importe quelle jonction p-n."

Le développement de couches conductrices bidimensionnelles dans des semi-conducteurs de haute pureté tels que GaAs (arséniure de gallium) dans les années 1980 et 1990 a permis aux chercheurs de démontrer pour la première fois l'optique électronique, y compris les effets de la réfraction et de la lentille. Cependant, dans ces matériaux, les électrons ne voyagent sans diffusion qu'à très basse température, limitant les applications technologiques. Par ailleurs, la présence d'un écart énergétique entre la bande de conduction et la bande de valence diffuse les électrons aux interfaces et empêche l'observation d'une réfraction négative dans les jonctions p-n des semi-conducteurs. Dans cette étude, l'utilisation du graphène par les chercheurs, un matériau 2D aux performances inégalées à température ambiante et sans écart énergétique, surmonté ces deux limites.

La possibilité d'une réfraction négative aux jonctions p-n du graphène a été proposée pour la première fois en 2007 par des théoriciens travaillant à la fois à l'Université de Lancaster et à l'Université de Columbia. Cependant, l'observation de cet effet nécessite des appareils extrêmement propres, de telle sorte que les électrons puissent voyager de manière balistique, sans éparpiller, sur de longues distances. Durant la dernière décennie, une équipe multidisciplinaire à Columbia - comprenant Hone et Dean, avec Kenneth Shepard, Professeur de la famille Lau de génie électrique et professeur de génie biomédical, Abhay Pasupathy, professeur agrégé de physique, et Philippe Kim, professeur de physique à l'époque (maintenant à Harvard) - a travaillé au développement de nouvelles techniques pour construire des dispositifs au graphène extrêmement propres. Cet effort a abouti à la démonstration en 2013 du transport balistique sur une échelle de longueur supérieure à 20 microns. Depuis, ils ont essayé de développer une lentille Veselago, qui concentre les électrons en un seul point en utilisant la réfraction négative. Mais ils n'ont pas pu observer un tel effet et ont trouvé leurs résultats déroutants.

En 2015, un groupe de l'Université des sciences et technologies de Pohang en Corée du Sud a signalé la première preuve se concentrant sur un appareil de type Veselago. Cependant, la réponse a été faible, apparaissant dans la dérivée du signal. L'équipe de Columbia a décidé que pour bien comprendre pourquoi l'effet était si insaisissable, ils avaient besoin d'isoler et de cartographier le flux d'électrons à travers la jonction. Ils ont utilisé une technique bien développée appelée "focalisation magnétique" pour injecter des électrons sur la jonction p-n. En mesurant la transmission entre les électrodes sur les côtés opposés de la jonction en fonction de la densité de porteurs, ils pouvaient cartographier la trajectoire des électrons des deux côtés de la jonction p-n lorsque l'angle d'incidence était modifié en ajustant le champ magnétique.

Le soutien théorique fourni par le groupe de Ghosh à l'Université de Virginie, qui a développé des techniques de simulation détaillées pour modéliser la réponse mesurée de l'équipe de Columbia. Cela impliquait de calculer le flux d'électrons dans le graphène sous les différents champs électriques et magnétiques, prenant en compte les rebonds multiples sur les bords, et tunnel mécanique quantique à la jonction. L'analyse théorique a également mis en lumière pourquoi il a été si difficile de mesurer la lentille de Veselago prévue de manière robuste, et le groupe développe de nouvelles architectures de dispositifs multi-jonctions basées sur cette étude. Ensemble, les données expérimentales et la simulation théorique ont donné aux chercheurs une carte visuelle de la réfraction, et leur a permis d'être les premiers à confirmer quantitativement la relation entre les angles incident et réfracté (appelée loi de Snell en optique), ainsi que la confirmation de l'amplitude de l'intensité transmise en fonction de l'angle (appelés coefficients de Fresnel en optique).

"De plusieurs façons, cette intensité de transmission est un paramètre plus crucial, " dit Gosh, "puisqu'il détermine la probabilité que les électrons passent réellement la barrière, plutôt que simplement leurs angles réfractés. La transmission détermine en fin de compte de nombreuses mesures de performance des appareils en fonction de ces effets, comme le rapport marche-arrêt dans un interrupteur, par exemple."