Diamanter kaster lys over skjulte strømme i grafen

Det lyder som ren trolddom:Brug af diamanter til at observere usynlig kraft, der hvirvler og flyder gennem omhyggeligt udformede kanaler. Men disse diamanter er en realitet. JQI Fellow Ronald Walsworth og Quantum Technology Center (QTC) Postdoc Associate Mark Ku, sammen med kolleger fra flere andre institutioner, herunder professor Amir Yacoby og postdoc Tony Zhou ved Harvard, har udviklet en måde at bruge diamanter til at se de uhåndgribelige detaljer i elektriske strømme.

Den nye teknik giver forskerne et kort over den indviklede bevægelse af elektricitet i den mikroskopiske verden. Holdet demonstrerede teknikkens potentiale ved at afsløre de usædvanlige elektriske strømme, der flyder i grafen, et lag kulstof kun et atom tykt. Grafen har enestående elektriske egenskaber, og teknikken kunne hjælpe forskere med bedre at forstå grafen og andre materialer og finde nye anvendelser for dem.

I et papir offentliggjort den 22. juli i tidsskriftet Natur , holdet beskriver, hvordan deres diamantbaserede kvantesensorer producerer billeder af strømme i grafen. Deres resultater afslørede, for første gang, detaljer om, hvordan grafen ved stuetemperatur kan producere elektriske strømme, der flyder mere som vand gennem rør end elektricitet gennem almindelige ledninger." Forståelse af stærkt interagerende kvantesystemer, ligesom strømmene i vores grafeneksperiment, er et centralt emne i det kondenserede stofs fysik, " siger Ku, avisens hovedforfatter. "I særdeleshed, Kollektiv adfærd hos elektroner, der ligner væsker med friktion, kan være en nøgle til at forklare nogle af de forvirrende egenskaber ved højtemperatur-superledere."

Det er ikke nogen nem opgave at få et glimt af strømmen inde i et materiale. Trods alt, en ledning i live med elektricitet ser identisk ud med en død ledning. Imidlertid, der er en usynlig forskel mellem en strømførende ledning og en, der ikke bærer elektrisk strøm:En bevægelig ladning genererer altid et magnetfelt. Men hvis du vil se de fine detaljer i strømmen, har du brug for et tilsvarende nøje kig på magnetfeltet, hvilket er en udfordring. Hvis du ansøger om at sløve et værktøj, som et magnetisk kompas, alle detaljer er vasket væk, og du måler bare den gennemsnitlige adfærd.

Walsworth, som også er direktør for University of Maryland Quantum Technology Center, har specialiseret sig i ultrapræcise målinger af magnetiske felter. Hans succes ligger i at besidde diamanter, eller mere specifikt kvantefejl i menneskeskabte diamanter.

Den Rough in the Diamond

"Diamanter er bogstaveligt talt kulstofmolekyler opstillet på den mest kedelige måde, " sagde Michael, det udødelige væsen i NBC sitcom "The Good Place". Men den velordnede justering af kulstofmolekyler er ikke altid så kedelig og perfekt.

Ufuldkommenheder kan gøre deres hjem i diamanter og blive stabiliseret af de omgivende, velordnet struktur. Walsworth og hans team fokuserer på ufuldkommenheder kaldet nitrogen ledige stillinger, som bytter to af nabokulstofatomerne ud med et nitrogenatom og en ledig plads.

"Kvælstoftomrummet virker som et atom eller en ion frosset ind i et gitter, " siger Walsworth. "Og diamanten har ikke meget af en effekt udover at holde den bekvemt på plads. En kvælstof ledig stilling i en diamant, meget som et atom i det frie rum, har kvantemekaniske egenskaber, som energiniveauer og spin, og det absorberer og udsender lys som individuelle fotoner."

De nitrogen ledige stillinger absorberer grønt lys, og derefter udsende det som rødt lys med lavere energi; dette fænomen ligner fluorescensen af ​​atomerne i trafikkegler, der skaber den ekstra lyse orange farve. Intensiteten af ​​det røde lys, der udsendes, afhænger af, hvordan kvælstoftomrummet holder energi, som er følsom over for det omgivende magnetfelt.

Så hvis forskere placerer en nitrogen-tomgang i nærheden af ​​en magnetisk kilde og skinner grønt lys på diamanten, kan de bestemme magnetfeltet ved at analysere det producerede lys. Da forholdet mellem strømme og magnetiske felter er godt forstået, de oplysninger, de indsamler, hjælper med at tegne et detaljeret billede af strømmen.

For at få et kig på strømmene i grafen, forskerne brugte kvælstof ledige pladser på to måder.

Den første metode giver den mest detaljerede visning. Forskere kører en lille diamant indeholdende en enkelt nitrogen ledig plads lige over en ledende kanal. Denne proces måler magnetfeltet langs en smal linje på tværs af en strøm og afslører ændringer i strømmen over afstande på omkring 50 nanometer (grafenkanalerne, de undersøger, var omkring 1, 000 til 1, 500 nanometer bred). Men metoden er tidskrævende, og det er udfordrende at holde målene justeret for at danne et komplet billede.

Deres anden tilgang producerer et komplet todimensionelt øjebliksbillede, som vist på billedet ovenfor, af en strøm på et bestemt tidspunkt. Grafenen hviler udelukkende på en diamantplade, der indeholder mange ledige kvælstofpladser. Denne komplementære metode genererer et mere sløret billede, men giver dem mulighed for at se hele strømmen på én gang.

Ikke din almindelige strøm

Forskerne brugte disse værktøjer til at undersøge strømmen af ​​​​strømme i grafen i en situation med særlig rig fysik. Under de rette forhold, grafen kan have en strøm, der ikke kun er lavet af elektroner, men af ​​et lige antal positivt ladede fætre - almindeligvis kaldet huller, fordi de repræsenterer en manglende elektron. I grafen, de to typer ladninger interagerer stærkt og danner det, der er kendt som en Dirac-væske. Forskere mener, at forståelsen af ​​virkningerne af interaktioner på Dirac-væskens adfærd kan afsløre hemmeligheder om andre materialer med stærke interaktioner, som højtemperatursuperledere. I særdeleshed, Walsworth og kolleger ønskede at afgøre, om strømmen i Dirac-væsken flyder mere som vand og honning, eller som en elektrisk strøm i kobber.

I en væske, de enkelte partikler interagerer meget - skubber og trækker på hinanden. Disse interaktioner er ansvarlige for dannelsen af ​​hvirvlende hvirvler og træk på ting, der bevæger sig gennem en væske. En væske med denne slags interaktioner kaldes viskøs. Tykkere væsker som honning eller sirup, der virkelig trækker på sig selv, er mere tyktflydende end tyndere væsker som vand.

Men selv vand er tyktflydende nok til at flyde ujævnt i glatte rør. Vandet aftager, jo tættere man kommer på kanten af ​​røret med den hurtigste strøm i midten af ​​røret. Denne specifikke type ujævn flow kaldes viskøs Poiseuille flow, opkaldt efter Jean Léonard Marie Poiseuille, hvis undersøgelse af blod, der rejser gennem små blodkar i frøer, inspirerede ham til at undersøge, hvordan væsker strømmer gennem små rør.

I modsætning, elektronerne i en normal leder, som ledningerne i computere og vægge, interagerer ikke meget. De er meget mere påvirket af miljøet i det ledende materiale - ofte urenheder i materialet i særdeleshed. På den individuelle skala, deres bevægelse er mere som parfume, der svæver gennem luften end vand, der strømmer ned ad et rør. Hver elektron gør for det meste sin egen ting, hopper fra den ene urenhed til den næste som et parfumemolekyle, der hopper mellem luftmolekyler. Så elektriske strømme har en tendens til at sprede sig og flyde jævnt, helt op til lederens kanter.

Men i visse materialer, som grafen, forskere indså, at elektriske strømme kan opføre sig mere som væsker. Det kræver de helt rigtige forhold med stærke interaktioner og få urenheder for at se de elektriske ækvivalenter af Poiseuille flyde, hvirvler og anden væskeadfærd.

"Der er ikke mange materialer i dette søde sted, " siger Ku. "Graphene viser sig at være sådan et materiale. Når du tager de fleste andre ledere til meget lav temperatur for at reducere elektronens interaktion med urenheder, enten starter superledning, eller også er interaktionerne mellem elektroner bare ikke stærke nok."

Kortlægning af grafens strømme

Mens tidligere forskning indikerede, at elektronerne kan flyde tyktflydende i grafen, de undlod at gøre det for en Dirac-væske, hvor vekselvirkningerne mellem elektroner og huller skal overvejes. Tidligere, forskere kunne ikke få et billede af en Dirac Fluid-strøm for at bekræfte detaljer som hvis det var en Poiseuille-strøm. Men de to nye metoder introduceret af Walsworth, Ku og deres kolleger producerer billeder, der afslørede, at Dirac-væskestrømmen falder mod kanterne af grafen, ligesom det gør for vand i et rør. De observerede også den viskøse opførsel ved stuetemperatur; beviser fra tidligere eksperimenter for viskøs elektrisk strømning i grafen var begrænset til koldere temperaturer.

Teamet mener, at denne teknik vil finde mange anvendelser, og Ku er interesseret i at fortsætte denne forskningslinje og forsøge at observere ny viskøs adfærd ved hjælp af disse teknikker i sin næste stilling som assisterende professor i fysik ved University of Delaware. Ud over at give indsigt i fysik relateret til Dirac-væsken som højtemperatursuperledere, teknikken kan også afsløre eksotiske strømninger i andre materialer og give ny indsigt i fænomener som kvantespin Hall-effekten og topologisk superledning. Og som forskere bedre forstår nye elektroniske adfærd af materialer, de kan muligvis også udvikle andre praktiske applikationer, som nye typer mikroelektronik.

"Vi ved, at der er masser af teknologiske anvendelser for ting, der fører elektriske strømme, " siger Walsworth. "Og når du finder et nyt fysisk fænomen, til sidst, folk vil sandsynligvis finde ud af en måde at bruge det på teknologisk. Det vil vi tænke over for den tyktflydende strøm i grafen i fremtiden."