石墨烯－氮化硼平面異質(zhì)結(jié)構(gòu)自2010年首次報道以來受到了凝聚態(tài)物理研究人員的廣泛關(guān)注，并衍生了二維原子晶體的人工堆垛結(jié)構(gòu)的研究分支。由于氮化硼提供了化學惰性、原子級別平整、無電荷摻雜的良好基底，石墨烯得以獲得比在傳統(tǒng)硅片表面高出3-4個數(shù)量級的載流子遷移率，并直接促成了石墨烯體系中分數(shù)量子霍爾效應(yīng)的實驗觀測。
作為Dirac費米子二維電子氣，石墨烯具有零帶隙、電子空穴可調(diào)制等特性，并且其與氮化硼平面異質(zhì)結(jié)構(gòu)能夠提供超高遷移率。這些性質(zhì)，正是實驗上實現(xiàn)電子光學的必要因素。所謂電子光學，也即電子表現(xiàn)出光學行為的體系。例如，在一個二維pn結(jié)界面上，電子能夠像光入射到不同折射率界面一樣，發(fā)生折射與反射，并遵循Snell定律。不同的是，自然界中，光傳輸介質(zhì)的折射率均為正值。而Veselago早在1968年就預言，如果存在負折射率的介質(zhì)，人們將能夠簡單地解決現(xiàn)實應(yīng)用中各種透鏡的像散問題。因此，Veselago透鏡也常被稱為完美透鏡。2007年，科學家在理論上預言，石墨烯pn結(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)Veselago透鏡的電子光學（electron optics）版本。只要在該pn結(jié)兩邊通過門電壓調(diào)控成相反的載流子類別（電子、空穴），由于切向動量守恒，入射電子將在pn結(jié)界面上發(fā)生負折射（Veselago折射，圖1）。
近十年來，世界各地科學家均開展了實驗觀測石墨烯中電子光學的研究工作。然而，該項實驗具有很大挑戰(zhàn)：1）電子不能有任何散射，全程須是彈道輸運；2）pn結(jié)界面需要有極小的粗糙度。前者的實現(xiàn)手段為人工堆垛方法，將石墨烯夾持在兩塊氮化硼之間，藉此隔雜質(zhì)離散射源并提供原子級平整的基底（圖2）。對于后者，如果采用金屬門電極，即使利用當今最精密的電子束刻蝕納米制備也只能做到最小幾納米乃至十幾納米的粗糙度。哥倫比亞大學、金屬研究所等科研人員在實驗上提出了利用力學解理得到的原子級別長直邊界的厚度十幾納米的石墨作為門電極。從而解決了納米制備不能解決的極小粗糙度問題（圖2）。
我們制備的pn結(jié)器件在液氦溫度下的電磁輸運測量表明，上述實驗挑戰(zhàn)得到滿足。通過局域的石墨門電壓和遠程硅片門電壓的調(diào)控，該型異質(zhì)pn結(jié)能夠借助弱磁場下的磁聚焦手段測量得到高信噪比電子折射行為，首次得到了單位斜率的類光學電子正負折射。通過這項工作，我們間接地提取了電子在石墨烯pn結(jié)界面斜入射角度與透過率之間的聯(lián)系，通過與理論的比對，推算出我們制備的pn結(jié)寬度約為70nm。同時，模擬計算得到的結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)高度吻合。該工作為電子光學實驗及其新型全電控電子開關(guān)等方面的應(yīng)用與發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
金屬研究所磁性材料與磁學研究部與美國哥倫比亞大學、弗吉尼亞大學等團隊合作完成了該項研究。該工作近期于Science雜志在線發(fā)表（Science, 353, 1522 (2016)。全文鏈接）。
圖1，電子在彈道輸運石墨烯pn結(jié)界面發(fā)生門電壓可控正負折射示意圖。
圖2，實驗制備的石墨烯－氮化硼異質(zhì)結(jié)構(gòu)加工示意圖和器件光學照片。
圖3, 不同摻雜下的pn結(jié)電子折射示意圖，與弱磁場下的磁聚焦得到的電子折射電壓曲線。
圖4, 左圖，模擬計算得到的結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)高度吻合；右圖，理論計算的電子軌跡。
