Licht entgleist Elektronen durch Graphen

Die Art und Weise, wie Elektronen in einem Material fließen, bestimmt seine elektronischen Eigenschaften. Wenn zum Beispiel eine Spannung über einem leitenden Material aufrechterhalten wird, beginnen Elektronen zu fließen und erzeugen einen elektrischen Strom. Es wird oft angenommen, dass diese Elektronen in geraden Bahnen fließen und sich entlang des elektrischen Felds bewegen, ähnlich wie ein Ball, der einen Hügel hinunterrollt. Dies sind jedoch nicht die einzigen Bahnen, die Elektronen nehmen können: Wenn ein Magnetfeld angelegt wird, bewegen sich die Elektronen nicht mehr auf geraden Bahnen entlang des elektrischen Felds, sondern sie krümmen sich tatsächlich. Die gekrümmten elektronischen Flüsse führen zu Quersignalen, die als „Hall“-Antworten bezeichnet werden.

Ist es nun möglich, Elektronen zu biegen, ohne ein Magnetfeld anzulegen? In einer kürzlich veröffentlichten Studie in Wissenschaft, berichtet ein internationales Forscherteam, dass zirkular polarisiertes Licht gebogene elektronische Flüsse in zweischichtigem Graphen induzieren kann. Die Studie wurde von einem Team durchgeführt, zu dem die ICFO-Wissenschaftler Jianbo Yin (derzeit Forscher am Beijing Graphene Institute, China), David Barcons, Iacopo Torre, unter der Leitung von ICREA Prof. am ICFO Frank Koppens, in Zusammenarbeit mit Cheng Tan und James Hone gehören von der Columbia University, Kenji Watanabe und Takashi Taniguchi vom NIMS Japan und Prof. Justin Song von der Nanyang Technological University (NTU) in Singapur.

Jianbo Yin, Erstautor der Studie, erinnert sich, wie alles begann. „Diese gemeinsame Studie begann 2016 mit einem Gespräch zwischen Justin Song und Frank Koppens auf einer wissenschaftlichen Konferenz.“ Wie Justin Song erklärt: „Elektronen sind nicht nur Teilchen, sondern können eine quantenwellenähnliche Natur haben.“ In Quantenmaterialien wie Doppelschichtgraphen kann das Wellenmuster von Elektronen eine komplexe Windung aufweisen, die oft als Quantengeometrie bezeichnet wird. „Frank und ich sprachen über die Möglichkeit, die Quantengeometrie in zweischichtigem Graphen zu nutzen, um den Elektronenfluss mit Licht zu biegen, anstatt Magnetfelder zu verwenden.“

Vor diesem Hintergrund beschloss Jianbo Yin, ein Forscher im Team von Frank Koppens, sich der Herausforderung zu stellen, dieses ungewöhnliche Phänomen experimentell zu realisieren. „Unser Gerät war sehr kompliziert zu bauen. Wir mussten viele Geräte bauen und zur Columbia University fliegen, um mit Cheng Tan und James Hone zusammenzuarbeiten, um die Gerätequalität zu verbessern.“

Quantengeometrie und Talselektivität

In zweischichtigem Graphen gibt es zwei Taschen von Elektronentälern (K und K‘): Wenn ein senkrechtes elektrisches Feld angelegt wird, können die quantengeometrischen Eigenschaften von Elektronen in diesen beiden Tälern dazu führen, dass sie sich in entgegengesetzte Richtungen biegen. Dadurch werden ihre Hall-Effekte aufgehoben.

In ihrer Studie fand das Wissenschaftlerteam heraus, dass sie durch Anwenden von zirkular polarisiertem Infrarotlicht auf das zweischichtige Graphengerät in der Lage waren, selektiv eine bestimmte Talpopulation von Elektronen im Material anzuregen, die eine Photospannung senkrecht zum üblichen Elektronenfluss erzeugte. Koppens betont: „Wir haben das Gerät nun so konstruiert und aufgebaut, dass Strom nur bei leichter Beleuchtung fließt. Dadurch konnten wir das störende Hintergrundrauschen vermeiden und eine um Größenordnungen bessere Empfindlichkeit in der Detektion erreichen.“ als jedes andere 2D-Material.“ Diese Entwicklung ist bedeutsam, da herkömmliche Photodetektoren häufig große Vorspannungen benötigen, die zu „Dunkelströmen“ führen können, die selbst dann fließen, wenn kein Licht vorhanden ist.

Yin bemerkt: „Wir können die Beugung der Elektronen mit dem von uns angelegten elektrischen Feld außerhalb der Ebene steuern. Wir können den Beugungswinkel dieser Elektronen ändern, der durch die Hall-Leitfähigkeit quantifiziert werden kann. Durch Steuern des Spannungsreglers ‚ die Berry-Krümmung [one characteristic of quantum geometry]kann abgestimmt werden, was zu einer riesigen Hall-Leitfähigkeit führen kann.

Die Ergebnisse der Studie eröffnen ein neues Reich für viele Detektions- und Bildgebungsanwendungen, wie Koppens abschließend feststellt. „Eine solche Entdeckung könnte große Auswirkungen auf Anwendungen für die Infrarot- und Terahertz-Sensorik haben, da zweischichtiges Graphen mit einer sehr kleinen Bandlücke von Halbmetall zu Halbleiter umgewandelt werden kann, sodass es Photonen mit sehr kleinen Energien erkennen kann. Es kann beispielsweise auch nützlich sein für Bildgebung im Weltraum, medizinische Bildgebung, z. B. für Gewebe-Hautkrebs, oder auch für Sicherheitsanwendungen wie die Qualitätsprüfung von Materialien.“

Die Möglichkeiten sind vielfältig, und die nächsten Forschungsschritte, die sich auf neue 2D-Materialien konzentrieren, wie das Moiré-Material Twisted Bilayer Graphen, könnten neue Wege zur Steuerung von Elektronenflüssen und unkonventionellen optoelektronischen Eigenschaften finden.