Elektronok szerpentinen: elektronoptika kígyó állapotokkal grafénban

A rangos Nature Communications folyóiratban most megjelent cikk társzerzői a BME Fizika Tanszék és az MTA-BME Kondenzált Anyagok Fizikája Kutatócsoport kutatói.

Sok későbbi elektronikai eszköz alapját képezheti az a teljesen veszteségmentes mozgás, az elektronok mozgatása grafénban előre definiált pálya mentén, amelyet először mutatott ki Makk Péter és Tóvári Endre svájci és német kutatókkal együttműködésben. A műegyetemi szakemberek a svájci Bázeli Egyetem Nanoelektronika Csoportjával közösen, Christian Schönenberger professzor vezetésével olyan grafén nano-szerkezeteket készítettek, amelyekben az elektronokat ballisztikusan lehet mozgatni külső terek segítségével, előre definiált pályán.

„Ezt csak a legjobb minőségű grafén mintákban lehet elérni. Az elektronok ballisztikus transzportja azt jelenti, hogy a minta méretskáláján (néhány mikrométer) az elektronok szóródás nélkül haladnak, például külső mágneses tér hiányában két pont között egy egyenes mentén mozognak. Ez nem annyira gyakori tulajdonság, mint gondolnánk, ugyanis a legtöbb vezető anyagban  ̶  fémekben, félvezető szilíciumban  ̶  az elektronok nagyságrendileg tipikusan csak 1-10 nanométeres (1 nanométer 1 mikrométer ezredrésze) utat tesznek meg egyenes vonalban, és gyakran változtatnak irányt pl. kristályrács-hibákon vagy idegen atomokon. Ballisztikus mintákban az elektronok pályáját külső terekkel lehet manipulálni, ahogy a fénysugarat optikai elemekkel, ezért ezt a kutatási irányt elektronoptikának nevezik” – fejtették ki a BME kutatói.

A kísérlethez létrehozott grafénszerkezet vázlata. A két mérőkontaktus (ezüst szín) közé egy grafén réteget függesztettek fel (fekete háló). Az aranyszínű kapuelektródákkal az elektronok sűrűségét lehet a minta két oldalán hangolni, amivel egy elektron-lyuk határátmenete alakítható ki (fehér szaggatott vonal). A kígyó állapotok a minta síkjára merőleges tér alkalmazásával hozhatók létre.

„Az itt látható grafénszerkezet egy, a vezetékek közé felfüggesztett, 2x2 mikrométeres grafénszakaszból, illetve az alatta lévő, az áramirányra merőlegesen álló két kapuelektródából áll. Ezekkel két különböző elektron-sűrűség állítható be a grafén bal és jobb felében. A grafén síkjára merőleges mágneses tér bekapcsolásával a grafénban haladó elektronok, a Lorentz-erő hatására körpályán, ún. ciklotronpályán fognak mozogni” – mutatták be a kutatók.

Az általuk kialakított szerkezetben a kapuelektródákkal és a mágneses tér hangolásával lehet az elektronokat irányítani. „A mechanizmus azon alapszik, hogy a kapuelektródákkal ún. lyuk-elektron (p-n) átmenetet lehet létrehozni, amelynek két oldalán a körpályán tartó Lorentz-erő ellenkező irányú (grafénban az elektron-lyuk átmenete speciális, tiltott sáv nélküli). Ezt úgy is elképzelhetjük, hogy a minta bal és jobb oldalán található elektronok tömege ellenkező előjelű” – magyarázták a szakemberek.

A létrejövő elektronpályákat szemléltető ábrán hamis színezésű elektron-mikroszkóp kép látható a méréshez használt nano-szerkezetről. A színkódolás az első ábrát követi: ezüst színűek a mérőkontaktusok, arany színűek a kapu-elektródák, míg kékben a grafén réteg látható. A fehér szaggatott vonal jelzi a elektron-lyuk határátmenetet, a jobb régióban lyukak, míg a baloldaliban elektronok a töltéshordozók. A mágneses és elektromos terek hatására az elektronok előre megtervezet pályák mentén irányíthatók. Egy ilyen lehetséges pályát mutat a sötétkék vonal. A jobb kontaktusból érkező elektronok ez esetben a bal kontaktust érik el. A mágneses vagy elektromos tér változásával el lehet érni, hogy az elektronok a jobb kontaktusnál nyelődjenek el, erre mutat példát a sárga görbe. A külső terek hangolásával így egy nano-kapcsoló hozható létre: az áram vagy a jobb, vagy a bal kontaktus felé folyik.

A BME kutatói elmondták, hogy az elektromos és a mágneses terek kombinációjaként létrejövő hullámzó pályát „kígyó állapot”-nak hívják. A kígyó állapotokba „becsapdázott” elektronok a kígyózó pálya mentén irányíthatók, hasonlóan a fényhez egy optikai szálban. Ezt a szerkezetet egy veszteségmentes nano-kapcsolóként lehet használni: a külső mágneses tér hangolásával az elektronok a jobb vagy a bal elektródákhoz irányíthatók (a kapcsoló működési elvét és a két állapotát szemlélteti a kék és a sárga elektronpálya a második ábrán).

„A Nature Communications-ben most megjelent tanulmány először mutatta ki a kígyó állapotok létezését, a mágneses térben megfigyelhető vezetőképesség-oszcillációk segítségével. Ezt az állapotot más anyagban eddig még nem sikerült megfigyelni” – nyomatékosította Makk Péter. „Egy ilyen nano-kapcsolót sok későbbi elektronikai eszközbe be lehet építeni, és egyszerűen, mágneses és elektromos terekkel lehet működtetni” – utalt a későbbi felhasználás lehetőségeire a BME és a bázeli egyetem kutatója.

Eredeti cikk: Snake Trajectories in Ultraclean Graphene p-n Junctions, Peter Rickhaus, Péter Makk, Ming-Hao Liu, Endre Tóvári, Markus Weiss, Romain Maurand, Klaus Richter, and Christian Schönenberger; Nature Communications, 6, 6470 (2015).

A publikáció 2015. március 3-án jelent meg.

A kutatócsoport honlapja: http://nanoelectronics.ttk.hik.bme.hu
, http://www.nanoelectronics.ch/