石墨烯城的新交通规则

为了找到将电子产品扩展到硅的使用范围之外的新方法，物理学家正在试验电子的其他特性，超出电荷。在今天(12月7日)发表在“ 科学 ”杂志上的一篇文章中，由宾夕法尼亚州立大学物理学教授Jun Zhu领导的一个小组描述了一种基于能量相对于动量操纵电子的方法 - 称为“谷自由度”。

“想象一下，你正处于一个电子着色的世界 - 红色或蓝色，”朱说，“电子行进的道路也是红色或蓝色。电子只允许在相同颜色的道路上行驶，所以蓝色电子必须变成红色电子才能在红色道路上行进。“

两年前，朱的团队表明，他们可以在一种称为双层石墨烯的材料中建造颜色编码的双向道路。由于它们的颜色编码，这些道路是拓扑的。在目前的研究中，研究人员进行了一个四向交叉路口，其中道路的颜色编码在另一侧切换。因此，你有一种情况，一辆行驶北行的蓝色汽车来到这个交叉路口，并发现在交叉路口的另一边北行道路是红色的。如果电子不能改变颜色，则禁止向前行进。

这些道路实际上是由使用最先进的电子束光刻以极高精度定义的门产生的电子波导。颜色实际上是汽车的山谷指数，道路的颜色编码由波导的拓扑结构控制，类似于不同国家的左驾驶和右驾驶规则。改变汽车的颜色需要“谷间散射”，这在实验中被最小化以使交通控制能够工作。

“我们在这里取得的是一个拓扑谷阀门，它使用一种新的机制来控制电子流动，”朱说。“这是一个名为谷电子的电子领域的一部分。在我们的实验中，控制拓扑结构 - 电子的谷 - 动量锁定 - 使其成功。”

在这项研究中，研究人员询问，如果它不能向前行驶，隐喻的蓝色汽车会去哪里?

“它必须向左或向右转，”主要作者李静说，他是朱的前博士生，现在是洛斯阿拉莫斯国家实验室的主任博士后研究员。

“我们还有其他控制转弯流量的方法 - 通过逐渐靠近右转或左转转动车道，电子/汽车向右或向左转的百分比可以平滑调整为单向60%%，另外40%% ，或百分比的任何其他组合。“

这种受控分区称为“分束器”，它对光很常见，但不容易通过电子实现。朱和李说，他们对他们在彩色编码道路上实现的这种控制感到兴奋，因为它可以在未来实现更先进的实验。

“设备的创建需要许多步骤和相当复杂的电子束光刻，”Li说。“值得庆幸的是，宾夕法尼亚州立大学最先进的纳米加工设施以及专业支持人员团队使我们能够做到这一切。”

朱的团队面临的下一个挑战是尝试将他们的设备构建为在室温下运行，而不是在他们目前所需的极低温度下运行。朱认为，这是可行的，但具有挑战性。

“我们制作这种设备的方法是可扩展的，”朱说。“如果大面积的双层石墨烯和六方氮化硼可用，我们可以建造一个拓扑道路的城市，并将电子穿梭到他们需要去的地方，所有这些都没有阻力。这将是非常酷的。”