Onderzoekers van de Universiteit van Melbourne hebben als eersten ter wereld in beeld gebracht hoe elektronen bewegen in tweedimensionaal grafeen, een stimulans voor de ontwikkeling van elektronica van de volgende generatie.

In staat om het gedrag van bewegende elektronen in structuren met een dikte van slechts één atoom in beeld te brengen, de nieuwe techniek overwint aanzienlijke beperkingen met bestaande methoden voor het begrijpen van elektrische stromen in apparaten op basis van ultradunne materialen.

"Volgende generatie elektronische apparaten op basis van ultradunne materialen, inclusief kwantumcomputers, zal bijzonder kwetsbaar zijn om minuscule scheurtjes en defecten te bevatten die de stroomstroom verstoren, " zei professor Lloyd Hollenberg, Adjunct-directeur van het Center for Quantum Computation and Communication Technology (CQC2T) en Thomas Baker Chair aan de Universiteit van Melbourne.

Een team onder leiding van Hollenberg gebruikte een speciale kwantumsonde op basis van een atomair 'kleurencentrum' dat alleen in diamanten voorkomt om de stroom van elektrische stromen in grafeen in beeld te brengen. De techniek zou kunnen worden gebruikt om het gedrag van elektronen in een verscheidenheid aan nieuwe technologieën te begrijpen.

"Door te kunnen zien hoe elektrische stromen worden beïnvloed door deze onvolkomenheden, kunnen onderzoekers de betrouwbaarheid en prestaties van bestaande en opkomende technologieën verbeteren. We zijn erg enthousiast over dit resultaat, waarmee we het microscopische gedrag van stroom in kwantumcomputerapparatuur kunnen onthullen, grafeen en andere 2D-materialen, " hij zei.

"Onderzoekers van CQC2T hebben grote vooruitgang geboekt bij de fabricage op atomaire schaal van nano-elektronica in silicium voor kwantumcomputers. Zoals grafeenplaten, deze nano-elektronische structuren zijn in wezen één atoom dik. Het succes van onze nieuwe detectietechniek betekent dat we het potentieel hebben om te observeren hoe elektronen in dergelijke structuren bewegen en ons toekomstig begrip van hoe kwantumcomputers zullen werken te helpen."

Naast het begrijpen van nano-elektronica die kwantumcomputers bestuurt, de techniek kan worden gebruikt met 2D-materialen om elektronica van de volgende generatie te ontwikkelen, energieopslag (batterijen), flexibele displays en biochemische sensoren.

"Onze techniek is krachtig en toch relatief eenvoudig te implementeren, wat betekent dat het kan worden overgenomen door onderzoekers en ingenieurs uit een breed scala aan disciplines, " zei hoofdauteur Dr Jean-Philippe Tetienne van CQC2T aan de Universiteit van Melbourne.

"Het gebruik van het magnetische veld van bewegende elektronen is een oud idee in de natuurkunde, maar dit is een nieuwe implementatie op microschaal met toepassingen van de 21e eeuw."

Het werk was een samenwerking tussen op diamanten gebaseerde kwantumdetectie en grafeenonderzoekers. Hun complementaire expertise was cruciaal voor het oplossen van technische problemen met het combineren van diamant en grafeen.

"Niemand heeft eerder kunnen zien wat er gebeurt met elektrische stromen in grafeen, " zei Nikolai Dontschuk, een grafeenonderzoeker aan de University of Melbourne School of Physics.

"Het was een uitdaging om een ​​apparaat te bouwen dat grafeen combineerde met het uiterst gevoelige kleurcentrum voor stikstofvacatures in diamant, maar een belangrijk voordeel van onze aanpak is dat het niet-invasief en robuust is - we verstoren de stroom niet door het op deze manier waar te nemen, " hij zei.

Tetienne legde uit hoe het team diamant kon gebruiken om de stroming met succes in beeld te brengen.

"Onze methode is om met een groene laser op de diamant te schijnen, en zie rood licht dat voortkomt uit de reactie van het kleurcentrum op het magnetische veld van een elektron, " hij zei.

"Door de intensiteit van het rode licht te analyseren, we bepalen het magnetische veld dat door de elektrische stroom wordt gecreëerd en kunnen het in beeld brengen, en letterlijk het effect zien van materiële onvolkomenheden."

De huidige beeldvormingsresultaten zijn vandaag gepubliceerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .