Het klinkt als pure tovenarij:het gebruik van diamanten om onzichtbare kracht te observeren die door zorgvuldig ontworpen kanalen wervelt en stroomt. Maar deze diamanten zijn een realiteit. JQI Fellow Ronald Walsworth en Quantum Technology Center (QTC) postdoctoraal medewerker Mark Ku, samen met collega's van verschillende andere instellingen, waaronder professor Amir Yacoby en postdoctoraal onderzoeker Tony Zhou aan Harvard, hebben een manier ontwikkeld om diamanten te gebruiken om de ongrijpbare details van elektrische stromen te zien.

De nieuwe techniek geeft onderzoekers een kaart van de ingewikkelde beweging van elektriciteit in de microscopische wereld. Het team demonstreerde het potentieel van de techniek door de ongebruikelijke elektrische stromen te onthullen die in grafeen stromen. een laag koolstof van slechts één atoom dik. Grafeen heeft uitzonderlijke elektrische eigenschappen, en de techniek zou onderzoekers kunnen helpen grafeen en andere materialen beter te begrijpen en er nieuwe toepassingen voor te vinden.

In een paper gepubliceerd op 22 juli in het tijdschrift Natuur , het team beschrijft hoe hun op diamanten gebaseerde kwantumsensoren beelden produceren van stromen in grafeen. Hun resultaten onthulden, Voor de eerste keer, details over hoe grafeen bij kamertemperatuur elektrische stromen kan produceren die meer als water door leidingen stromen dan als elektriciteit door gewone draden. zoals de stromen in ons grafeenexperiment, is een centraal onderwerp in de fysica van de gecondenseerde materie, " zegt Ku, de hoofdauteur van het artikel. "Vooral, collectief gedrag van elektronen dat lijkt op dat van vloeistoffen met wrijving kan een sleutel zijn tot het verklaren van enkele van de raadselachtige eigenschappen van supergeleiders bij hoge temperaturen."

Het is geen gemakkelijke taak om een ​​glimp op te vangen van de stroom in een materiaal. Ten slotte, een draad die leeft met elektriciteit lijkt identiek aan een dode draad. Echter, er is een onzichtbaar verschil tussen een stroomvoerende draad en een draad die geen stroom draagt:een bewegende lading wekt altijd een magnetisch veld op. Maar als je de fijne details van de stroom wilt zien, moet je het magnetische veld dienovereenkomstig nauwkeurig bekijken, wat een uitdaging is. Als u een gereedschap stomp maakt, als een magnetisch kompas, alle details worden weggespoeld en je meet gewoon het gemiddelde gedrag.

Walsworth, die ook de directeur is van het Quantum Technology Center van de Universiteit van Maryland, is gespecialiseerd in ultraprecieze metingen van magnetische velden. Zijn succes ligt in het hanteren van diamanten, of meer specifiek kwantumimperfecties in door de mens gemaakte diamanten.

Het ruige in de diamant

"Diamanten zijn letterlijk koolstofmoleculen die op de meest saaie manier zijn opgesteld, " zei Michiel, het onsterfelijke wezen in de NBC-sitcom "The Good Place." Maar de ordelijke uitlijning van koolstofmoleculen is niet altijd zo saai en perfect.

Onvolkomenheden kunnen hun thuis maken in diamanten en worden gestabiliseerd door de omgeving, ordelijke structuur. Walsworth en zijn team richten zich op onvolkomenheden die stikstofvacatures worden genoemd, die twee van de naburige koolstofatomen ruilen voor een stikstofatoom en een vacature.

"De stikstofleegstand werkt als een atoom of een ion dat in een rooster is bevroren, "zegt Walsworth. "En de diamant heeft niet veel effect, behalve dat hij hem gemakkelijk op zijn plaats houdt. Een stikstoftekort in een diamant, net als een atoom in de vrije ruimte, heeft kwantummechanische eigenschappen, zoals energieniveaus en spin, en het absorbeert en straalt licht uit als individuele fotonen."

De stikstofvacatures absorberen groen licht, en zend het dan uit als rood licht met lagere energie; dit fenomeen is vergelijkbaar met de fluorescentie van de atomen in verkeerskegels die de extra felle oranje kleur creëren. De intensiteit van het uitgestraalde rode licht hangt af van hoe de stikstofleegstand energie vasthoudt, die gevoelig is voor het omringende magnetische veld.

Dus als onderzoekers een stikstofvacature bij een magnetische bron plaatsen en groen licht op de diamant schijnen, kunnen ze het magnetische veld bepalen door het geproduceerde licht te analyseren. Aangezien de relatie tussen stromen en magnetische velden goed wordt begrepen, de informatie die ze verzamelen helpt bij het schetsen van een gedetailleerd beeld van de stroming.

Om de stromen in grafeen te bekijken, de onderzoekers maakten op twee manieren gebruik van stikstofvacatures.

De eerste methode biedt de meest gedetailleerde weergave. Onderzoekers laten een kleine diamant met een enkele stikstofvacature dwars door een geleidend kanaal lopen. Dit proces meet het magnetische veld langs een smalle lijn over een stroom en onthult veranderingen in de stroom over afstanden van ongeveer 50 nanometer (de grafeenkanalen die ze onderzoeken waren ongeveer 1, 000 tot 1, 500 nanometer breed). Maar de methode is tijdrovend, en het is een uitdaging om de metingen uitgelijnd te houden om een ​​compleet beeld te vormen.

Hun tweede benadering levert een complete tweedimensionale momentopname op, zoals in de afbeelding hierboven, van een stroom op een bepaald moment. Het grafeen rust volledig op een diamantplaat die veel stikstofvacatures bevat. Deze complementaire methode genereert een vager beeld, maar stelt hen in staat om de volledige stroom in één keer te zien.

Niet uw gewone stroom

De onderzoekers gebruikten deze tools om de stroom van stromen in grafeen te onderzoeken in een situatie met bijzonder rijke fysica. Onder de juiste omstandigheden, grafeen kan een stroom hebben die niet alleen uit elektronen bestaat, maar uit een gelijk aantal positief geladen neven - gewoonlijk gaten genoemd omdat ze een ontbrekend elektron vertegenwoordigen. in grafeen, de twee soorten ladingen werken sterk op elkaar in en vormen wat bekend staat als een Dirac-vloeistof. Onderzoekers geloven dat het begrijpen van de effecten van interacties op het gedrag van de Dirac-vloeistof geheimen van andere materialen met sterke interacties zou kunnen onthullen, zoals supergeleiders bij hoge temperaturen. Vooral, Walsworth en collega's wilden bepalen of de stroom in de Dirac-vloeistof meer als water en honing stroomt, of als een elektrische stroom in koper.

In een vloeistof, de individuele deeltjes hebben veel interactie - duwen en trekken aan elkaar. Deze interacties zijn verantwoordelijk voor de vorming van wervelende wervels en de weerstand op dingen die door een vloeistof bewegen. Een vloeistof met dit soort interacties wordt viskeus genoemd. Dikkere vloeistoffen zoals honing of siroop die echt aanslepen, zijn stroperiger dan dunnere vloeistoffen zoals water.

Maar zelfs water is stroperig genoeg om ongelijkmatig in gladde leidingen te stromen. Het water vertraagt ​​naarmate je dichter bij de rand van de pijp komt met de snelste stroom in het midden van de pijp. Dit specifieke type ongelijkmatige stroming wordt viskeuze Poiseuille-stroming genoemd, vernoemd naar Jean Léonard Marie Poiseuille, wiens studie van bloed dat door kleine bloedvaten in kikkers reist, hem inspireerde om te onderzoeken hoe vloeistoffen door kleine buisjes stromen.

In tegenstelling tot, de elektronen in een normale geleider, zoals de draden in computers en muren, niet veel interactie. Ze worden veel meer beïnvloed door de omgeving in het geleidende materiaal, vaak onzuiverheden in het materiaal in het bijzonder. Op de individuele schaal hun beweging lijkt meer op die van parfum dat door de lucht zweeft dan op water dat door een pijp stroomt. Elk elektron doet meestal zijn eigen ding, stuiteren van de ene onzuiverheid naar de andere als een parfummolecuul dat tussen luchtmoleculen stuitert. Dus elektrische stromen hebben de neiging zich te verspreiden en gelijkmatig te stromen, helemaal tot aan de randen van de geleider.

Maar bij bepaalde materialen zoals grafeen, onderzoekers realiseerden zich dat elektrische stromen zich meer als vloeistoffen kunnen gedragen. Het vereist precies de juiste omstandigheden van sterke interacties en weinig onzuiverheden om de elektrische equivalenten van Poiseuille te zien stromen, draaikolken en ander vloeistofgedrag.

"Er zijn niet veel materialen op deze goede plek, " zegt Ku. "Grafeen blijkt zo'n materiaal te zijn. Als je de meeste andere geleiders op een zeer lage temperatuur brengt om de interacties van het elektron met onzuiverheden te verminderen, ofwel treedt supergeleiding in werking of zijn de interacties tussen elektronen gewoon niet sterk genoeg."

De stromingen van grafeen in kaart brengen

Terwijl eerder onderzoek aangaf dat de elektronen viskeus kunnen stromen in grafeen, ze hebben dit niet gedaan voor een Dirac-vloeistof waar de interacties tussen elektronen en gaten moeten worden overwogen. Eerder, onderzoekers konden geen beeld krijgen van een Dirac Fluid-stroom om details te bevestigen, alsof het een Poiseuille-stroom was. Maar de twee nieuwe methoden geïntroduceerd door Walsworth, Ku en hun collega's produceren afbeeldingen die onthulden dat de Dirac-vloeistofstroom afneemt naar de randen van het grafeen, zoals bij water in een pijp. Ze observeerden ook het viskeuze gedrag bij kamertemperatuur; bewijs van eerdere experimenten voor viskeuze elektrische stroming in grafeen was beperkt tot koudere temperaturen.

Het team gelooft dat deze techniek veel toepassingen zal vinden, en Ku is geïnteresseerd in het voortzetten van deze onderzoekslijn en in zijn volgende functie als assistent-professor in de natuurkunde aan de Universiteit van Delaware. Naast het verschaffen van inzicht in fysica gerelateerd aan de Dirac-vloeistof, zoals supergeleiders bij hoge temperaturen, de techniek kan ook exotische stromingen in andere materialen aan het licht brengen en nieuwe inzichten verschaffen in fenomenen zoals het kwantumspin Hall-effect en topologische supergeleiding. En naarmate onderzoekers nieuw elektronisch gedrag van materialen beter begrijpen, ze kunnen misschien ook andere praktische toepassingen ontwikkelen, zoals nieuwe soorten micro-elektronica.

"We weten dat er veel technologische toepassingen zijn voor dingen die elektrische stroom dragen, "zegt Walsworth. "En als je een nieuw natuurkundig fenomeen ontdekt, eventueel, mensen zullen waarschijnlijk een manier bedenken om het technologisch te gebruiken. Daar willen we in de toekomst over nadenken voor de stroperige stroom in grafeen."