Licht laat elektronen ontsporen door grafeen

De manier waarop elektronen in een materiaal stromen, bepaalt de elektronische eigenschappen ervan. Wanneer bijvoorbeeld een spanning over een geleidend materiaal wordt gehandhaafd, beginnen elektronen te stromen, waardoor een elektrische stroom wordt gegenereerd. Van deze elektronen wordt vaak gedacht dat ze in rechte paden stromen en langs het elektrische veld bewegen, net als een bal die van een heuvel rolt. Toch zijn dit niet de enige banen die elektronen kunnen afleggen: wanneer een magnetisch veld wordt aangelegd, reizen de elektronen niet langer in rechte banen langs het elektrische veld, maar buigen ze. De gebogen elektronische stromen leiden tot transversale signalen die “Hall” -reacties worden genoemd.

Is het nu mogelijk om elektronen te buigen zonder een magnetisch veld aan te leggen? In een recent gepubliceerd onderzoek in Wetenschap, meldt een internationaal team van onderzoekers dat circulair gepolariseerd licht gebogen elektronische stromen in dubbellaags grafeen kan induceren. De studie is uitgevoerd door een team bestaande uit ICFO-wetenschappers Jianbo Yin (momenteel onderzoeker van het Beijing Graphene Institute, China), David Barcons, Iacopo Torre, onder leiding van ICREA Prof. bij ICFO Frank Koppens, in samenwerking met Cheng Tan en James Hone van Columbia University, Kenji Watanabe en Takashi Taniguchi van NIMS Japan en Prof. Justin Song van Nanyang Technological University (NTU) in Singapore.

Jianbo Yin, eerste auteur van het onderzoek, herinnert zich hoe het allemaal begon. “Deze gezamenlijke studie begon in 2016 met een gesprek tussen Justin Song en Frank Koppens op een wetenschappelijke conferentie.” Zoals Justin Song uitlegt: “Elektronen zijn niet alleen deeltjes, maar kunnen een kwantumgolfachtige aard hebben.” In kwantummaterialen, zoals dubbellaags grafeen, kan het golfpatroon van elektronen een complexe wikkeling vertonen die vaak wordt aangeduid als kwantumgeometrie. “Frank en ik spraken over de mogelijkheid om kwantumgeometrie in dubbellaags grafeen te gebruiken om de stroom van elektronen met licht te buigen in plaats van magnetische velden te gebruiken.”

Met dit in gedachten besloot Jianbo Yin, een onderzoeker in het team van Frank Koppens, de uitdaging aan te gaan om dit ongewone fenomeen experimenteel te realiseren. “Ons apparaat was erg ingewikkeld om te bouwen. Het kostte veel apparaten bouwen en vliegen naar Columbia University om met Cheng Tan en James Hone samen te werken om de kwaliteit van het apparaat te verbeteren.”

Kwantumgeometrie en valleiselectiviteit

In dubbellaags grafeen zijn er twee holtes met elektronenvalleien (K en K’): wanneer een loodrecht elektrisch veld wordt aangelegd, kunnen de kwantumgeometrische eigenschappen van elektronen in deze twee valleien ervoor zorgen dat ze in tegengestelde richtingen buigen. Als gevolg hiervan worden hun Hall-effecten teniet gedaan.

In hun onderzoek ontdekte het team van wetenschappers dat ze door circulair gepolariseerd infrarood licht op het dubbelgelaagde grafeenapparaat toe te passen, in staat waren om selectief een specifieke valleipopulatie van elektronen in het materiaal te exciteren, die een fotospanning genereerde loodrecht op de gebruikelijke elektronenstroom. Zoals Koppens benadrukt: “We hebben het apparaat en de configuratie nu zo ontworpen dat er alleen stroom vloeit bij lichte verlichting. Hiermee konden we de achtergrondruis vermijden die de metingen belemmert en een gevoeligheid in de detectie bereiken die verschillende ordes van grootte beter dan enig ander 2D-materiaal.” Deze ontwikkeling is belangrijk omdat conventionele fotodetectoren vaak grote spanningsafwijkingen vereisen die kunnen leiden tot “donkere stromen” die zelfs vloeien als er geen licht is.

Yin merkt op dat “we de buiging van de elektronen kunnen regelen met het elektrische veld buiten het vlak dat we toepassen. We kunnen de buighoek van deze elektronen veranderen, die kan worden gekwantificeerd door de Hall-geleidbaarheid. Door de spanningsknop te regelen, ‘ de Berry kromming [one characteristic of quantum geometry]kan worden afgestemd, wat kan leiden tot een gigantische Hall-geleiding.”

De resultaten van de studie openen een nieuw domein van veel detectie- en beeldvormingstoepassingen, zoals Koppens uiteindelijk concludeert. “Een dergelijke ontdekking zou grote implicaties kunnen hebben in toepassingen voor infrarood- en terahertz-detectie, aangezien dubbellaags grafeen kan worden getransformeerd van halfmetaal naar halfgeleider met een zeer kleine bandgap, zodat het fotonen met zeer kleine energieën kan detecteren. Het kan ook nuttig zijn, bijvoorbeeld voor beeldvorming in de ruimte, medische beeldvorming, bijvoorbeeld voor weefselhuidkanker, of zelfs voor veiligheidstoepassingen zoals de kwaliteitscontrole van materialen.”

De mogelijkheden zijn legio en de volgende stappen van onderzoek gericht op nieuwe 2D-materialen, zoals het moiré-materiaal, gedraaid dubbellaags grafeen, kunnen nieuwe manieren vinden om elektronenstromen en onconventionele opto-elektronische eigenschappen te beheersen.