石墨烯－氮化硼平面異質結構自2010年首次報道以來受到了凝聚態物理研究人員的廣泛關注，并衍生了二維原子晶體的人工堆垛結構的研究分支。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硅片表面高出3-4個數量級的載流子遷移率，并直接促成了石墨烯體系中分數量子霍爾效應的實驗觀測。

　　作為Dirac費米子二維電子氣，石墨烯具有零帶隙、電子空穴可調制等特性，并且其與氮化硼平面異質結構能夠提供超高遷移率。這些性質，正是實驗上實現電子光學的必要因素。所謂電子光學，也即電子表現出光學行為的體系。例如，在一個二維pn結界面上，電子能夠像光入射到不同折射率界面一樣，發生折射與反射，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，人們將能夠簡單地解決現實應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結能夠實現Veselago透鏡的電子光學（electron optics）版本。只要在該pn結兩邊通過門電壓調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結界面上發生負折射（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：1）電子不能有任何散射，全程須是彈道輸運；2）pn結界面需要有極小的粗糙度。前者的實現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結器件在液氦溫度下的電磁輸運測量表明，上述實驗挑戰得到滿足。通過局域的石墨門電壓和遠程硅片門電壓的調控，該型異質pn結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結界面斜入射角度與透過率之間的聯系，通過與理論的比對，推算出我們制備的pn結寬度約為70nm。同時，模擬計算得到的結果與實驗數據高度吻合。該工作為電子光學實驗及其新型全電控電子開關等方面的應用與發展奠定了基礎。

　　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雜志在線發表（Science, 353, 1522 (2016)。全文鏈接）。

圖1，電子在彈道輸運石墨烯pn結界面發生門電壓可控正負折射示意圖。

圖2，實驗制備的石墨烯－氮化硼異質結構加工示意圖和器件光學照片。

圖3, 不同摻雜下的pn結電子折射示意圖，與弱磁場下的磁聚焦得到的電子折射電壓曲線。

圖4, 左圖，模擬計算得到的結果與實驗數據高度吻合；右圖，理論計算的電子軌跡。