Команда ученых из университетов Колумбии и Виргинии в ходе эксперимента впервые наблюдала негативную рефракцию электронов, проходящих через границу двух сред в проводящем материале. Это открытие, опубликованное в журнале Science, может привести к развитию новых типов электронных переключателей, основанных на оптических принципах.

Свет меняет направление, или преломляется, когда идет от одного материала к другому. Коэффициент преломления определяет степень изменения траектории движения и является положительным для обычных материалов, таких как стекло. Однако, можно создать оптические метаматериалы с отрицательным коэффициентом преломления. Это приведет к появлению новых технологий, таких как суперлинзы, которые могут фокусироваться за пределами дифракционного предела, и оптические плащи, которые делают предметы под ними невидимыми, потому что свет их огибает.

Электроны ведут себя похожим на лучи света образом и тоже подвержены преломлению на границе соприкосновения двух полупроводников с разными типами проводимости, дырочной и электронной. Эта граница называется p-n-переход и лежит в основе работы диодов и транзисторов.

Возможность негативной рефракции в p-n-переход графена впервые была предсказана в 2007 году, но такой эксперимент требовал чрезвычайно чистых приборов, чтобы электроны могли двигаться без рассеяния и на большие расстояния. За последние 10 лет ученые разработали такую технологию. В результате проведенного эксперимента они обнаружили, что траектория электронов при движении через p-n-переход изменилась.

Ученые получили визуальную карту преломления, которая позволила им первыми подтвердить отношения между падающим лучом и углом преломления (закон Снеллиуса в оптике), а также подтвердить значение интенсивности как функции угла (формулы Френеля), пишет Phys.org.

«Способность управлять электронами в проводящем материале открывает совершенно новые пути осмысления электроники, — говорит Кори Дин, руководитель группы исследователей. — Например, переключатели, благодаря которым работают микрочипы в компьютерах, потребляют много энергии. Если использовать фокусировку, чтобы направлять „луч“ электронов между электродами, это может существенно увеличить эффективность и решить одну из главных проблем на пути создания более быстрой и энергетически экономичной электроники».