Elektronhvirvler i grafen opdaget for første gang

Når en almindelig elektrisk leder – såsom en metaltråd – er forbundet til et batteri, accelereres elektronerne i lederen af ​​det elektriske felt, som batteriet skaber. Mens de bevæger sig, kolliderer elektroner ofte med urenhedsatomer eller ledige pladser i ledningens krystalgitter og omdanner en del af deres bevægelsesenergi til gittervibrationer. Den energi, der går tabt i denne proces, omdannes til varme, der for eksempel kan mærkes ved at røre ved en glødepære.

Mens kollisioner med gitterurenheder sker hyppigt, er kollisioner mellem elektroner meget sjældnere. Situationen ændrer sig dog, når grafen, et enkelt lag af kulstofatomer arrangeret i et bikagegitter, bruges i stedet for en almindelig jern- eller kobbertråd.

I grafen er urenhedskollisioner sjældne, og kollisioner mellem elektroner spiller hovedrollen. I dette tilfælde opfører elektronerne sig mere som en viskøs væske. Derfor bør velkendte strømningsfænomener som hvirvler forekomme i grafenlaget.

Rapportering i tidsskriftet Science , har forskere ved ETH Zürich i gruppen af ​​Christian Degen nu for første gang formået at detektere elektronhvirvler i grafen ved hjælp af en højopløselig magnetfeltsensor.

Meget følsomt kvanteregistreringsmikroskop

Hvirvlerne dannede sig i små cirkulære skiver, som Degen og hans medarbejdere havde fastgjort under fremstillingsprocessen til en ledende grafenstrimmel, der kun var en mikrometer bred. Skiverne havde forskellige diametre mellem 1,2 og 3 mikrometer. Teoretiske beregninger antydede, at elektronhvirvler skulle dannes i de mindre, men ikke i de større skiver.

For at gøre hvirvlerne synlige målte forskerne de små magnetiske felter, der blev produceret af elektronerne, der strømmer inde i grafenet. Til dette formål brugte de en kvantemagnetisk feltsensor bestående af et såkaldt nitrogen-vacancy (NV) center indlejret i spidsen af ​​en diamantnål.

Da det er en atomisk defekt, opfører NV-centret sig som et kvanteobjekt, hvis energiniveauer afhænger af et eksternt magnetfelt. Ved hjælp af laserstråler og mikrobølgeimpulser kan centrets kvantetilstande forberedes på en sådan måde, at de er maksimalt følsomme over for magnetiske felter. Ved at udlæse kvantetilstandene med en laser kunne forskerne bestemme styrken af ​​disse felter meget præcist.

"På grund af diamantnålens bittesmå dimensioner og den lille afstand fra grafenlaget - kun omkring 70 nanometer - var vi i stand til at gøre elektronstrømmene synlige med en opløsning på mindre end hundrede nanometer," siger Marius Palm, en fhv. Ph.D. elev i Degens gruppe. Denne opløsning er tilstrækkelig til at se hvirvlerne.

Inverteret strømningsretning

I deres målinger observerede forskerne et karakteristisk tegn på de forventede hvirvler i de mindre skiver:en vending af strømningsretningen. Mens der ved normal (diffusiv) elektrontransport strømmer elektronerne i bånd og skive i samme retning, i tilfælde af en hvirvel, er strømningsretningen inde i skiven omvendt. Som forudsagt af beregningerne kunne der ikke observeres hvirvler i de større skiver.

"Takket være vores ekstremt følsomme sensor og høje rumlige opløsning behøvede vi ikke engang at køle grafenen ned og var i stand til at udføre eksperimenterne ved stuetemperatur," siger Palm. Desuden opdagede han og hans kolleger ikke kun elektronhvirvler, men også hvirvler dannet af hulbærere.

Ved at påføre en elektrisk spænding fra under grafenen ændrede de antallet af frie elektroner på en sådan måde, at strømmen ikke længere blev båret af elektroner, men derimod af manglende elektroner, også kaldet huller. Først ved ladningsneutralitetspunktet, hvor der er en lille og afbalanceret koncentration af både elektroner og huller, forsvandt hvirvlerne fuldstændigt.

"I dette øjeblik er detektionen af ​​elektronhvirvler grundforskning, og der er stadig masser af åbne spørgsmål," siger Palm. For eksempel mangler forskere stadig at finde ud af, hvordan kollisioner af elektronerne med grafenens grænser påvirker strømningsmønsteret, og hvilke effekter der opstår i endnu mindre strukturer.

Den nye detektionsmetode, som ETH-forskerne bruger, gør det også muligt at se nærmere på mange andre eksotiske elektrontransporteffekter i mesoskopiske strukturer - fænomener, der opstår på længdeskalaer fra flere titusinder af nanometer op til nogle få mikrometer.

Flere oplysninger: Marius L. Palm et al, Observation af strømhvirvler i grafen ved stuetemperatur, Videnskab (2024). DOI:10.1126/science.adj2167

Journaloplysninger: Videnskab

Leveret af ETH Zürich