Američtí fyzici provedli experimenty, během nichž konečně prokázali existenci záporného indexu lomu v grafenu. Výsledky výzkumu představují důležitý krok pro výrobu elektronických zařízení a mohou vést také k novým využitím, jako jsou tranzistory s nízkým příkonem.
Vizionářské práce na téma grafen a materiály s negativním indexem lomu se objevily už v roce 2007. Američtí a britští fyzici se pokoušeli využít grafen ve funkci superčoček, které by fokusovaly elektrony právě pomocí záporného indexu lomu. Už tehdy se vědělo, že zvláštní chování grafenu způsobuje jeho specifická pásová struktura. Uhlíkové atomy totiž v grafenu tvoří strukturu připomínající včelí plástev. Podle tehdejších poznatků vzniká záporný lom tehdy, když elektrony přecházejí z vodivostního do valenčního pásu a složka hybnosti, která je rovnoběžná s přechodem, se obrátí. Vzorky grafenu, v nichž by nedocházelo k rozptylu elektronů, byly však tehdy prakticky nedosažitelné, a znalost toho, jak udělat přechod P-N průchozí pro elektrony, byla nulová. Řada laboratoří na tomto problému pracovala a výsledky výzkumu byly zveřejněny právě nyní.
Index lomu je měřítko ohybu světla nebo jiného vlnění procházejícího rozhraním dvou prostředí. Pojem „záporný“ se používá tehdy, když se světlo ohýbá v opačném směru než u konvenčních materiálů, jako je voda nebo sklo. Záporný lom je vlastnost některých umělých metamateriálů, kterou je možné využít k nasměrování rozbíhavých paprsků zpět do ohniska, a vytvořit tak dokonalou čočku. Právě o to se fyzici už dost dlouho snaží. Dokonalé čočky (superčočky) využívají geometrie k tomu, aby se světlo soustředilo do oblasti menší, než je jeho vlnová délka. Od roku 1968, kdy byly objeveny, se metamateriály používají například k vytváření takzvaných plášťů neviditelnosti.
Výroba metamateriálů je však velmi obtížná a v praxi těžko realizovatelná. V principu by mohlo být jednodušší dosáhnout záporného lomu s elektronovými vlnami v polovodiči. Pro elektrony v pevných látkách je ekvivalentem pro index lomu Fermiho vlnový vektor. V polovodiči typu N je náboj přenášen záporně nabitými elektrony a míří ve stejném směru, ve kterém se pohybují elektrony. U polovodiče typu P je však náboj přenášen kladně nabitými dírami a vlnový vektor míří opačným směrem. Na rozhraní mezi oběma typy polovodiče (přechod P-N) mění Fermiho vektor své znaménko, a může tak docházet k zápornému indexu lomu.
Záporný lom na přechodu P-N se v praxi nikomu dlouho nedařilo pozorovat. V konvenčních polovodičích se zakázaným energetickým pásem mezi valenčním a vodivostním pásem musí totiž elektron k překonání přechodu P-N buď získat, nebo ztratit energii. V důsledku toho je většina elektronů na přechodu P-N odražena, místo aby prošla a došlo k lomu.
Grafen je vrstva uhlíkových atomů o tloušťce pouze jediného atomu. Tento materiál nemá zakázaný pás. Přechod P-N z grafenu by proto mohl být pro elektrony průchodnější než přechody z jiných polovodičů. Předchozí pokusy pozorovat záporný index lomu však nebyly úspěšné ani v případě grafenu. Skupina fyziků z Columbia University se tomu pokusila přijít na kloub. Modelovali přechod elektronů v grafenu na počítači a zjistili, že pravděpodobnou příčinou byly nerovnosti na rozhraní, jejichž velikost byla srovnatelná s velikostí atomu. Nerovnosti jsou důsledkem konvenčních litografických procesů při přípravě přechodu. Je to stejné, jako kdyby se svítilo fokusovaným laserovým paprskem na kus skla - světlo se bude lámat a změnu směru lze snadno změřit. Pokud by se však povrch skla něčím zdrsnil, světlo se na povrchu bude rozptylovat.
Přechod
elektronů v grafenu (ilustrace: Cory Dean)
Aby tento problém obešli, použili američtí fyzici ke zhotovení přechodu P-N přirozenou dělicí čáru mezi řadami atomů na grafenové vrstvě. K oběma stranám přechodu připojili vícenásobné elektrody. Umístěním přechodu do příčného magnetického pole proměnné velikosti řídili úhel, pod kterým elektrony injektované na jedné straně dosahovaly přechodu. Pomocí napětí na elektrodách na druhé straně přechodu zjišťovali, kam elektrony dopadly, když prošly přechodem. Porovnáním měření s počítačovým modelem získali důkaz, že skutečně došlo k zápornému lomu.
Extrémně rychlý přepínací prvek na bázi grafenového přechodu zatím neexistuje, experimentálně však byly prokázány podmínky, za kterých může fungovat. Vědecký tým věří, že jejich objev najde řadu praktických využití. Schopnost přivést rozbíhavý elektronový svazek zpět do ohniska v jednom ze dvou bodů tvoří v principu základ elektronického přepínače. Takový přepínač by měl velice malou spotřebu energie a mohl by zvýšit efektivnost elektronických zařízení. Některé obdoby optických aplikací záporného lomu by dokonce bylo možné použít při vývoji zařízení na první pohled působících jako ze světa science fiction. Příkladem je magický plášť neviditelnosti. Práci oceňují jak teoretičtí fyzici, tak ti, kteří se zabývají spíše aplikacemi. Velký technický pokrok spočívá podle nich v tom, že bude možno vytvořit velmi tenké a velmi strmé přechody P-N, což může mít samo o sobě dalekosáhlé důsledky. Přechod P-N je totiž v elektronice téměř všudypřítomný.
Původní materiál byl uveřejněn v Science.