石墨烯城的新交通規則

為了找到將電子產品擴展到硅的使用范圍之外的新方法，物理學家正在試驗電子的其他特性，超出電荷。在今天(12月7日)發表在“ 科學 ”雜志上的一篇文章中，由賓夕法尼亞州立大學物理學教授Jun Zhu領導的一個小組描述了一種基于能量相對于動量操縱電子的方法 - 稱為“谷自由度”。

“想象一下，你正處于一個電子著色的世界 - 紅色或藍色，”朱說，“電子行進的道路也是紅色或藍色。電子只允許在相同顏色的道路上行駛，所以藍色電子必須變成紅色電子才能在紅色道路上行進。“

兩年前，朱的團隊表明，他們可以在一種稱為雙層石墨烯的材料中建造顏色編碼的雙向道路。由于它們的顏色編碼，這些道路是拓撲的。在目前的研究中，研究人員進行了一個四向交叉路口，其中道路的顏色編碼在另一側切換。因此，你有一種情況，一輛行駛北行的藍色汽車來到這個交叉路口，并發現在交叉路口的另一邊北行道路是紅色的。如果電子不能改變顏色，則禁止向前行進。

這些道路實際上是由使用最先進的電子束光刻以極高精度定義的門產生的電子波導。顏色實際上是汽車的山谷指數，道路的顏色編碼由波導的拓撲結構控制，類似于不同國家的左駕駛和右駕駛規則。改變汽車的顏色需要“谷間散射”，這在實驗中被最小化以使交通控制能夠工作。

“我們在這里取得的是一個拓撲谷閥門，它使用一種新的機制來控制電子流動，”朱說。“這是一個名為谷電子的電子領域的一部分。在我們的實驗中，控制拓撲結構 - 電子的谷 - 動量鎖定 - 使其成功。”

在這項研究中，研究人員詢問，如果它不能向前行駛，隱喻的藍色汽車會去哪里?

“它必須向左或向右轉，”主要作者李靜說，他是朱的前博士生，現在是洛斯阿拉莫斯國家實驗室的主任博士后研究員。

“我們還有其他控制轉彎流量的方法 - 通過逐漸靠近右轉或左轉轉動車道，電子/汽車向右或向左轉的百分比可以平滑調整為單向60%%，另外40%% ，或百分比的任何其他組合。“

這種受控分區稱為“分束器”，它對光很常見，但不容易通過電子實現。朱和李說，他們對他們在彩色編碼道路上實現的這種控制感到興奮，因為它可以在未來實現更先進的實驗。

“設備的創建需要許多步驟和相當復雜的電子束光刻，”Li說。“值得慶幸的是，賓夕法尼亞州立大學最先進的納米加工設施以及專業支持人員團隊使我們能夠做到這一切。”

朱的團隊面臨的下一個挑戰是嘗試將他們的設備構建為在室溫下運行，而不是在他們目前所需的極低溫度下運行。朱認為，這是可行的，但具有挑戰性。

“我們制作這種設備的方法是可擴展的，”朱說。“如果大面積的雙層石墨烯和六方氮化硼可用，我們可以建造一個拓撲道路的城市，并將電子穿梭到他們需要去的地方，所有這些都沒有阻力。這將是非常酷的。”