量子电子光学是一门通过借鉴光学调控方法，控制电子传输行为并设计电子器件的交叉学科。在石墨烯、拓扑绝缘体等二维材料中，电子表现为相对论性的狄拉克费米子，具有线性能量-动量关系和零有效质量，以费米速度传播，其行为与光子高度相似。随着支持狄拉克电子的材料体系不断拓展，量子电子光学已成为凝聚态物理与纳米科技的前沿方向之一。其中，石墨烯因其独特的电子属性，在室温下即可实现微米级弹道输运，低温下相干长度更可达数十微米，为量子电子光学研究提供了理想平台。然而，传统电子光学器件大多依赖传输过程中的相位累积效应，导致器件尺寸较大，限制了其在常温环境下的实际应用，即使在具有如此长弹道输运距离的石墨烯中也概莫能外。
课题组提出并理论实现了一种针对狄拉克费米子的超构棱镜（metalens），该器件仅由单层量子点阵列构成，由量子点直径定义的超构棱镜厚度仅有10纳米，远小于室温弹道输运距离，从而首次实现了在常温环境下对石墨烯电子的高效操控。尤为引人注目的是，该超构棱镜对电子的调控效率接近100%，显著区别于光学超构表面中普遍存在的效率限制，几乎全部电子均可响应由相位梯度引入的横向动量，实现波前重塑。
与光学超构透镜类似，该超构棱镜也可以达到几乎完全消除球差的效果，同时，它还展现出优异的电控可调性：在不改变量子点尺寸与排布的前提下，仅通过调节偏压即可实现焦距的连续调控，并在宽能谱范围内保持稳定的聚焦、成像与准直性能。该设计首次在石墨烯平台上实现了具备完整功能（聚焦、成像、准直）的电子棱镜，在石墨烯上设计完整功能的电子棱镜一直是待解难题，该工作给出了简洁且性能优异的选择方案。
课题组此前已在量子电子光学中系统引入超构表面概念，其超薄结构与近完美效率为室温石墨烯电子单元的设计开辟了新路径。例如，基于该概念设计的非互易传输单元，不仅突破了克莱因隧穿导致的器件设计瓶颈，也实现了常温下的高效工作(Phys.Rev.Applied 22,L031003(2024))。超构表面策略有望进一步推动石墨烯电子光学从低温实验走向室温应用，为未来低功耗、高性能电子器件的发展提供关键技术支撑。
论文信息：
该研究工作于2025年10月15号以“Metalenses for Ballistic Electrons: Toward Room-Temperature Electron Optics”为题，以封面论文形式发表在Nano Letters上。
论文第一作者为赵瑞璜博士，中北大学曹溪源副教授参与了该工作的理论计算和分析。该工作得到国家自然科学基金（Grant No. 62204231）和上海市自然科学基金（Grant No. 24ZR1417700）项目支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c03310
撰稿|课题组
