光通过石墨烯使电子脱轨

电子在材料中流动的方式决定了它的电子特性。例如，当在导电材料上保持电压时，电子开始流动，产生电流。这些电子通常被认为沿直线路径流动，沿着电场移动，就像滚下山丘的球一样。然而，这些并不是电子可以采取的唯一轨迹：当施加磁场时，电子不再沿着电场沿直线路径行进，但事实上，它们会弯曲。弯曲的电子流导致称为“霍尔”响应的横向信号。

现在，是否可以在不施加磁场的情况下弯曲电子?在最近发表在《科学》杂志上的一项研究中，一个国际研究小组报告说，圆偏振光可以在双层石墨烯中引起弯曲的电子流。该研究由 ICFO 科学家尹建波(现任北京石墨烯研究所研究员)、David Barcons、Iacopo Torre 等团队进行，由 ICFO Frank Koppens 的 ICREA 教授领导，与 Cheng Tan 和 James Hone 合作来自哥伦比亚大学的 Kenji Watanabe 和来自 NIMS 的 Takashi Taniguchi 以及来自新加坡南洋理工大学 (NTU) 的 Justin Song 教授。

该研究的第一作者尹建波记得这一切是如何开始的。“这项合作研究始于 2016 年 Justin Song 和 Frank Koppens 在一次科学会议上的对话。” 正如贾斯汀·宋解释的那样，“电子不仅仅是粒子，还可以具有类似量子波的性质。” 在诸如双层石墨烯之类的量子材料中，电子的波形可以表现出复杂的缠绕，通常称为量子几何。“弗兰克和我讨论了利用双层石墨烯中的量子几何来用光而不是使用磁场来弯曲电子流的可能性。”

考虑到这一点，Frank Koppens 团队的研究员 Jianbo Yin 决定接受挑战，通过实验实现这种不寻常的现象。“我们的设备构建起来非常复杂。花了很多时间构建设备并飞往哥伦比亚大学与 Cheng Tan 和 James Hone 合作以提高设备质量。”

在双层石墨烯中，有两个电子谷口袋(K 和 K')：当施加垂直电场时，这两个谷中电子的量子几何特性会导致它们向相反方向弯曲。结果，它们的霍尔效应被抵消了。

在他们的研究中，科学家团队发现，通过将圆偏振红外光应用到双层石墨烯器件上，他们能够选择性地激发材料中一个特定的谷电子群，从而产生垂直于通常电子流的光电压。正如 Koppens 强调的那样，“我们现在设计了设备和设置，使电流仅在光照下流动。这样，我们能够避免阻碍测量的背景噪声，并在检测中实现更好的几个数量级的灵敏度比任何其他二维材料都要好。” 这一发展意义重大，因为传统的光电探测器通常需要较大的电压偏压，即使在没有光的情况下也会产生“暗电流”。

尹说：“我们可以通过施加的面外电场来控制电子的弯曲。我们可以改变这些电子的弯曲角度，这可以通过霍尔电导率来量化。通过控制电压旋钮， ' 贝里曲率 [量子几何的一个特征] 可以被调整，从而导致巨大的霍尔电导率。”

正如 Koppens 最终得出的结论，这项研究的结果为许多检测和成像应用开辟了一个新领域。“这样的发现可能对红外和太赫兹传感的应用产生重大影响，因为双层石墨烯可以从半金属转变为具有非常小的带隙的半导体，因此它可以检测能量非常小的光子。它也可能有用，例如，空间成像、医学成像，例如组织皮肤癌，甚至用于安全应用，例如材料的质量检查。”

可能性是多方面的，下一步的研究重点是新的二维材料，例如莫尔材料扭曲的双层石墨烯，可能会找到控制电子流和非常规光电特性的新方法。

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