Diamanten laten een licht schijnen op verborgen stromingen in grafeen

Het klinkt als pure tovenarij: diamanten gebruiken om onzichtbare kracht te zien wervelen en stromen door zorgvuldig vervaardigde kanalen. Maar deze diamanten zijn een realiteit. JQI Fellow Ronald Walsworth en Quantum Technology Centre (QTC) Postdoctoraal Associate Mark Ku hebben samen met collega’s van verschillende andere instellingen, waaronder professor Amir Yacoby en Postdoctoral Fellow Tony Zhou aan Harvard, een manier ontwikkeld om diamanten te gebruiken om de ongrijpbare details van elektrische apparaten te zien stromingen.

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 koolstoflaag van slechts één atoom dik. Grafeen heeft uitzonderlijke elektrische eigenschappen en de techniek kan onderzoekers 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, beschrijft het team hoe hun op diamanten gebaseerde kwantumsensoren beelden van stromen in grafeen produceren. Hun resultaten onthulden voor het eerst details over hoe grafeen op kamertemperatuur elektrische stromen kan produceren die meer als water door leidingen stromen dan elektriciteit door gewone draden. “Het begrijpen van sterk op elkaar inwerkende kwantumsystemen, zoals de stromen in ons grafeenexperiment, is een centraal onderwerp in de fysica van de gecondenseerde materie “, zegt Ku, de hoofdauteur van het artikel. “In het bijzonder kunnen collectieve gedragingen van elektronen die lijken op die van vloeistoffen met wrijving een sleutel zijn om enkele van de raadselachtige eigenschappen van supergeleiders bij hoge temperatuur te verklaren.”

Het is niet eenvoudig om een ​​glimp op te vangen van de stroming in een materiaal. Een draad die leeft van elektriciteit ziet er immers identiek uit als een dode draad. Er is echter een onzichtbaar verschil tussen een stroomdragende draad en een die geen elektrisch vermogen heeft: een bewegende lading wekt altijd een magnetisch veld op. Maar als u de fijne details van de stroom wilt zien, moet u het magnetische veld dienovereenkomstig van dichtbij bekijken, wat een uitdaging is. Als je een gereedschap bot maakt, zoals een magnetisch kompas, wordt al het detail weggespoeld en meet je 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 kwantumonvolkomenheden in door de mens gemaakte diamanten.

The Rough in the Diamond

‘Diamanten zijn letterlijk koolstofmoleculen die op de meest saaie manier zijn opgesteld’, zei Michael, de onsterfelijke 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 omringende, ordelijke structuur. Walsworth en zijn team richten zich op imperfecties die stikstofvacatures worden genoemd en die twee van de naburige koolstofatomen ruilen voor een stikstofatoom en een vacature.

‘De stikstofvacature gedraagt ​​zich als een atoom of een in een rooster bevroren ion’, zegt Walsworth. “En de diamant heeft niet veel effect, behalve dat hij hem gemakkelijk op zijn plaats houdt. Een stikstofvacature in een diamant heeft, net als een atoom in de vrije ruimte, kwantummechanische eigenschappen, zoals energieniveaus en spin, en absorbeert en zendt uit licht als individuele fotonen. “

De stikstofvacatures absorberen groen licht en zenden het vervolgens uit als energiezuinig rood licht; 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 stikstofvacature energie vasthoudt, die gevoelig is voor het omringende magnetische veld.

Dus als onderzoekers een stikstofvacature in de buurt van een magnetische bron plaatsen en groen licht op de diamant schijnen, kunnen ze het magnetische veld bepalen door het geproduceerde licht te analyseren. Omdat de relatie tussen stromen en magnetische velden goed wordt begrepen, helpt de informatie die ze verzamelen om een ​​gedetailleerd beeld van de stroom te geven.

Om de stromingen in grafeen te bekijken, gebruikten de onderzoekers op twee manieren stikstofvacatures.

De eerste methode biedt de meest gedetailleerde weergave. Onderzoekers voeren een kleine diamant met een enkele stikstofvacature dwars door een geleidend kanaal. 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 op één lijn te houden om een ​​compleet beeld te vormen.

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

Niet uw gewone stroom

De onderzoekers gebruikten deze tools om de stroming in grafeen te onderzoeken in een situatie met een bijzonder rijke fysica. Onder de juiste omstandigheden kan grafeen een stroom hebben die niet alleen uit elektronen bestaat, maar ook uit een gelijk aantal positief geladen neven – gewoonlijk gaten genoemd omdat ze een ontbrekend elektron vertegenwoordigen. In grafeen werken de twee soorten ladingen sterk samen en vormen ze een zogenaamde Dirac-vloeistof. Onderzoekers zijn van mening dat het begrijpen van de effecten van interacties op het gedrag van de Dirac-vloeistof geheimen kan onthullen van andere materialen met sterke interacties, zoals supergeleiders op hoge temperatuur. Met name 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 hebben de afzonderlijke deeltjes veel interactie – duwen en trekken aan elkaar. Deze interacties zijn verantwoordelijk voor de vorming van wervelende wervelingen en de belemmering van dingen die door een vloeistof bewegen. Een vloeistof met dit soort interacties wordt viskeus genoemd. Dikkere vloeistoffen zoals honing of siroop die zichzelf echt slepen, zijn stroperiger dan dunnere vloeistoffen zoals water.

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

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

Maar in bepaalde materialen, zoals grafeen, realiseerden onderzoekers 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-stroming, wervelingen en ander vloeistofgedrag te zien.

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

De stromingen van grafeen in kaart brengen

Waar uit eerder onderzoek bleek dat de elektronen viskeus in grafeen kunnen stromen, hebben ze dat niet gedaan voor een Dirac-vloeistof, waarbij rekening moet worden gehouden met de interacties tussen elektronen en gaten. Eerder konden onderzoekers geen afbeelding van een Dirac-vloeistofstroom krijgen om details te bevestigen, zoals of het een Poiseuille-stroom was. Maar de twee nieuwe methoden die door Walsworth, Ku en hun collega’s zijn geïntroduceerd, leveren beelden op waaruit blijkt dat de Dirac-vloeistofstroom afneemt naar de randen van het grafeen, net als voor water in een pijp. Ze observeerden ook het stroperige gedrag bij kamertemperatuur; bewijs van eerdere experimenten voor viskeuze elektrische stroom in grafeen was beperkt tot koudere temperaturen.

Het team is van mening dat deze techniek veel toepassingen zal hebben, en Ku is geïnteresseerd in het voortzetten van deze onderzoekslijn en het proberen om nieuwe viskeuze gedragingen te observeren met behulp van deze technieken in zijn volgende functie als assistent-professor natuurkunde aan de Universiteit van Delaware. Naast het verschaffen van inzicht in de fysica met betrekking tot de Dirac-vloeistof zoals supergeleiders op hoge temperatuur, kan de techniek ook exotische stromen in andere materialen onthullen en nieuwe inzichten verschaffen in fenomenen zoals het quantum spin Hall-effect en topologische supergeleiding. En aangezien onderzoekers nieuw elektronisch gedrag van materialen beter begrijpen, kunnen ze mogelijk ook andere praktische toepassingen ontwikkelen, zoals nieuwe soorten micro-elektronica.

‘We weten dat er veel technologische toepassingen zijn voor dingen die elektrische stromen dragen’, zegt Walsworth. ‘En als je uiteindelijk een nieuw fysiek fenomeen vindt, zullen mensen er waarschijnlijk een manier voor vinden om het technologisch te gebruiken. Daar willen we over nadenken voor de stroperige stroom in grafeen in de toekomst.’