石墨烯是一種由碳原子以蜂窩狀晶格排列而成的單層材料，其獨特的電子特性自發現以來就吸引了研究人員的極大關注。其中一個有趣的現象是克萊因隧穿，這是石墨烯無質量狄拉克費米子（一種在低能量下表現得像無質量電子的準粒子）的特性之一。一項發表在《物理評論快報》的新研究，該研究利用了一種稱為科比諾圓盤的特殊器件幾何形狀，為石墨烯電子中的克萊因和反克萊因隧穿提供了直接證據。

克萊因和反克萊因隧穿

傳統的電子隧穿指的是電子克服勢壘的概率，而這個勢壘的能量高度讓電子無法以經典方法跨越。然而，在石墨烯中，由于狄拉克費米子的奇特能帶結構和行為，電子可以表現出克萊因隧穿。在這種情況下，電子不是通過勢壘，而是通過材料特性變化的區域進行隧穿，并且在特定角度范圍內具有很高的效率。這與傳統的隧穿形成了鮮明對比，在傳統的隧穿中，傳輸概率通常會隨著入射角的增加而減小。

反克萊因隧穿的概念是作為克萊因隧穿的對應物而產生的。克萊因隧穿允許在特定角度進行高效傳輸，而反克萊因隧穿則在這些相同角度表現出最低的傳輸概率。這種特性為操控石墨烯基器件中的電子流動提供了令人興奮的可能性。

科比諾圓盤幾何與實驗結果

這項研究采用科比諾圓盤幾何進行實驗。該裝置由沉積在石墨烯薄片上的兩個同心金屬環組成。電子被注入到內環，并測量其通過石墨烯到外環的傳輸概率。通過改變電子的入射角，研究人員可以探究隧穿過程的角度依賴性。

在此研究之前，探索石墨烯器件中的電子光學主要涉及負折射和手性傳輸實驗，這些技術依賴于霍爾棒幾何等具有磁聚焦的裝置。而科比諾圓盤方法提供了一個獨特的優勢：直接測量電子傳輸的角度依賴性。

該研究的關鍵發現是在雙層石墨烯的磁導率數據中觀察到了克萊因和反克萊因隧穿的明顯特征。值得注意的是，數據顯示零角度克萊因傳輸出現峰值，表明電子正面撞擊石墨烯時具有高傳輸效率。相反，數據顯示在相同角度的反克萊因傳輸出現谷值，表明電子在該特定角度的隧穿概率最低。

與單層石墨烯或傳統的菲涅爾光學相比，這種行為特別有趣。在這些情況下，人們通常觀察到零角度傳輸路徑的銳化，而不是雙層石墨烯中看到的明顯峰值。此外，該研究還發現了磁導率數據中的“角甜蜜點”，類似于光學中的布魯斯特角。這些甜蜜點對應于電子傳輸最小化的角度，反映了反克萊因隧穿的行為。(www.ws46.cOm)

未來展望

這項研究結果對開發新型石墨烯基電子器件具有重要意義。通過克萊因和反克萊因效應控制電子隧穿的能力為設計高效電子濾波器和波導鋪平了道路。此外，在雙層石墨烯中觀察到類似布魯斯特角的行為為創建石墨烯基偏振器打開了大門，該偏振器能夠根據電子的方向選擇性地傳輸電子。