[論文レビュー] Direct evidence of angle-selective transmission of Dirac electrons in graphene p-n junctions

Atikur Rahman, Janice Wynn Guikema+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2013

Graphene research and applications被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、異なる結合角を有する二重ゲート型バルブ型デバイスを用いて抵抗の揺らぎを測定することで、グラフェンのp-nジャンクションにおけるディラック電子の角度選択性を示す直接的な実験的証拠を提供している。共通のゲートを用いて障壁の高さを制御し、バランス法を用いて角度依存効果を分離することで、著者らは45°入射時における抵抗の揺らぎが正入射時よりも顕著に大きいことを示した。これは、キーントンネル効果の角度依存透過の理論的予測を裏付けるものであり、グラフェンにおける電子フォーカスやヴェゼラゴレンズ効果の基礎をなすものである。

ABSTRACT

The relativistic nature of the charge carriers in graphene is manifested in the angle-dependent transmission across p-n junctions, where Klein tunneling involves annihilation of an electron and a hole at the p-n junction interface. The transmission probability is equal to unity and independent of the barrier height for normal incidence, and it oscillates as a function of barrier height for other incident angles. Here we demonstrate the angle dependence of the resistance fluctuations of ballistic dual-gated graphene devices with straight and angled arms, in which the barrier height is controlled by a shared gate electrode. We find large fluctuations in the resistance as a function of gate voltage in the case of Klein tunneling at a 45$^0$ angle, as compared to normal incidence. Using a balancing measurement technique, we isolate the angle dependence of the resistance fluctuations from other angle insensitive gate-dependent and device-dependent effects. Our results provide a direct evidence of the angle-selective transmission of charge carriers in graphene p-n junctions, which is the key element behind focusing of electrons and the realization of a Veselago lens in graphene.

研究の動機と目的

• キーントンネル効果理論が予測するように、グラフェンp-nジャンクションにおけるディラック電子の角度依存透過を実験的に検証すること。
• 制御された障壁高さを有するバルブ型グラフェンデバイスにおける抵抗揺らぎの角度依存性を分離して測定すること。
• これらの揺らぎが、デバイスやゲート依存効果のアーチファクトではなく、内在的な角度選択性透過メカニズムに起因することを示すこと。
• 角度依存透過に基づく電子フォーカスおよびヴェゼラゴレンズ効果の実現可能性を実験的根拠で裏づけること。

提案手法

• 入射角を制御可能な直線および傾斜したジャンクションアームを有する二重ゲート型バルブ型グラフェンデバイスの作製。
• p-nジャンクションにおける障壁高さを一貫したデバイス条件を保ちながら、共通のゲート電極を用いて調整。
• ゲート電圧の関数としての抵抗揺らぎの測定（例：正入射対比45°入射）。
• ゲート依存性およびデバイス固有の変動に起因する角度に依存しない寄与をキャンセルするためのバランス法の採用。
• 45°入射時の抵抗揺らぎと正入射時の抵抗揺らぎを比較し、透過の角度依存性を分離。
• データ解析を通じて、45°入射時に顕著に増大する揺らぎが、キーントンネル効果における予測された角度選択性透過に対応していることを確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェンp-nジャンクションの抵抗は、キーントンネル効果の予測と整合する角度依存の揺らぎを示すか？
• RQ2 バルブ型グラフェンデバイスにおける抵抗揺らぎの大きさは、入射角に応じてどのように変化するか？
• RQ3 実験的測定において、他のゲート依存性およびデバイス依存性効果から、ディラック電子の角度選択性透過を分離できるか？
• RQ4 45°入射時の抵抗揺らぎが正入射時をどれほど上回るか、これは透過確率の増大を示唆するか？
• RQ5 観測された角度依存性は、グラフェンにおける相対論的電子輸送理論枠組みと整合的か？

主な発見

• 45°入射時における抵抗揺らぎは正入射時よりも顕著に大きく、この角度で透過確率が増大していることを示している。
• 観測された角度依存抵抗揺らぎは、グラフェンp-nジャンクションにおけるディラック電子の角度選択性透過と直接関連している。
• バランス法による測定により、他のゲート依存性およびデバイス依存性効果からの角度依存透過の分離に成功した。
• 本研究は、キーントンネル効果における角度選択性透過の理論的予測に対する直接的な実験的証拠を提供した。
• 結果は、45°入射時に最大の透過揺らぎが観測され、これはグラフェン内におけるディラックフェルミオンの相対論的性質と整合的であることを確認した。
• 本研究は、電子フォーカスおよびヴェゼラゴレンズ効果の物理的基盤を裏づけ、これらがこの角度選択性透過メカニズムに依存していることを確認した。