Самое важное. Самое полезное. Самое интересное...
Loading...

Физики впервые увидели «отрицательное» преломление электронов

10 октября 2016
Изменение траектории электрона в среде с отрицательным коэффициентом преломления. Cory Dean, Columbia University
Изменение траектории электрона в среде с отрицательным коэффициентом преломления. Cory Dean, Columbia University
<
Увеличить фото...  
Источник: N+1

Физики из США и Японии впервые напрямую «увидели» преломление электронов под отрицательными углами — явление, аналогичное поведению света в средах с отрицательным коэффициентом преломления. Необычный физический эффект наблюдался в графене, слое графита толщиной в один атом. По словам ученых, с его помощью можно добиться создания «электронных линз» на чипе, которые помогут сделать миниатюрными электронные микроскопы.

Исследование опубликовано в журнале Science, кратко о нем сообщает пресс-релиз Университета Колумбии.

Когда волны (например, света) пересекают границу двух сред, происходит явление преломления. Оно связано с тем, что скорость распространения волн в разных средах отличается — это изменяет направление луча света. Подобное изменение скоростей описывается с помощью показателей преломления — соотношений между скоростью света в среде и вакууме. Угол, под которым преломляется луч света, определяется из отношения показателей преломления.

Около полувека назад советский физик Виктор Веселаго описал оптические свойства среды, у которой показатель преломления был бы отрицательным. Эта работа была чисто теоретической и предсказывала необычные свойства у таких объектов. Например, плоская пластинка из такого материала могла сфокусировать свет, испущенный точечным источником. Позднее оказалось, что создать материалы с отрицательным коэффициентом преломления сложно, но возможно.

Однако волновой природой обладают не только фотоны — кванты света. Точно так же, благодаря корпускулярно-волновому дуализму, могут вести себя электроны. Такую их природу можно увидеть, например, в двумерном электронном газе — ситуации, когда электроны могут свободно перемещаться внутри плоскости. При этом частицы двигаются по прямолинейным траекториям, не рассеиваясь — такое движение называется баллистическим.

Если электрон пересекает границу двух материалов с разными типами проводимости, характер баллистического движения меняется — возникает преломление. Примером таких границ могут быть p-n переходы в полупроводниках, использующихся в солнечных батареях, транзисторах и других устройствах. Физики предсказали, что на таких границах тоже должно наблюдаться «отрицательное» преломление, к тому же создавать такие переходы гораздо проще, чем оптические материалы с отрицательным коэффициентом преломления. Но из-за существования энергетической щели (запрещенной зоны) в традиционных полупроводниковых материалах электрон рассеивается на границе — его преломление наблюдать не удается.

Закон преломления для разных типов переходов. Синим выделен переход с отрицательным коэффициентом преломления. Справа — углы падения электронов на границу. Shaowen Chen et al. / Science, 2016

В 2007 году теоретики из университетов Колумбии и Ланкастера предсказали, что явление отрицательного коэффициента преломления может наблюдаться в графене. Этот материал является бесщелевым полупроводником с очень высокой проводимостью. Итогом экспериментальной работы должна была стать демонстрация электронной линзы Веселаго — границы в графене, фокусирующей электроны. Первым результатом работы междисциплинарной группы ученых стала демонстрация в 2013 году баллистического транспорта электронов в сверхчистом графене на расстояния до 20 микрометров.

Строение линзы Веселаго, испытанной авторами. Shaowen Chen et al. / Science, 2016

Через два года другая группа физиков из Южной Кореи впервые разработала устройство, подобное линзе Веселаго. Ученые нашли косвенные свидетельства фокусировки электронов — эффект был слабым. Новая работа американских физиков впервые позволила надежно зафиксировать отрицательное преломление электронов и даже измерить соотношение между углами падения и отражения. Ключевым, по признанию авторов, стало теоретическое моделирование, проведенное по мотивам корейской работы, и разработка нового устройства.

Электронная линза Веселаго, предложенная физиками, обладала сложной многослойной структурой. Одна ее половина состояла из графенового листа (толщиной в один атом), зажатого между двумя более толстыми слоями нитрида бора. Вторая половина, помимо прочего, также располагалась на «пороге» из графита. Ученые проводили инжекцию электронов со стороны графитовой половины, второй электрод при измерениях находился на другой половине устройства. На основе измерений в магнитном поле авторам удалось построить траектории, по которым двигались электроны в устройстве.

Закон преломления для разных типов переходов. Синим выделен переход с отрицательным коэффициентом преломления. Справа — углы падения электронов на границу. Shaowen Chen et al. / Science, 2016

Среди прочего, авторы выяснили, почему фокусировку в линзе Веселаго так трудно наблюдать. Оказалось, что большая доля электронов отражается от границы, если ее ширина превышает определенную критическую величину. Физики оценили ее в пять нанометров. Как отмечают ученые, новая разработка может лечь в основу электронно-оптических устройств, работающих при комнатной температуре.

Оптические среды с отрицательным показателем преломления интересны не только самим фактом фокусировки света, но и разрешающей способностью получаемых линз. Для классических оптических приборов разрешение ограничено длиной волны света — из-за этого оптические микроскопы не позволяют наблюдать детали объектов размером менее 100 нанометров. Линзы Веселаго позволяют обойти этот предел. Также для этих целей используют устройства из метаматериалов, способные преобразовывать эванесцентные волны света (экспоненциально затухающие с удалением от волновода) в распространяющиеся. В прошлом году физики из Университета Буффало создали веерообразную гиперлинзу, действующую по такому принципу, разрешение которой превзошло дифракционный предел.

Владимир Королёв

 Комментарии: 0 шт.   Нравится: 1 | Не нравится: 0 

Комментарии

Социальные комментарии Cackle Все комментарии

Также в разделе «Интересное»

Расписание

Расписание транспорта. Краматорск, Харьков

Расписание

Музыка

Loading...

Справочник ВУЗов Украины