Elektronenwervelingen in grafeen voor het eerst gedetecteerd

Wanneer een gewone elektrische geleider, zoals een metaaldraad, op een batterij wordt aangesloten, worden de elektronen in de geleider versneld door het elektrische veld dat door de batterij wordt gecreëerd. Terwijl ze bewegen, komen elektronen vaak in botsing met onzuiverheidsatomen of gaten in het kristalrooster van de draad, en zetten ze een deel van hun bewegingsenergie om in roostertrillingen. De energie die daarbij verloren gaat, wordt omgezet in warmte die bijvoorbeeld voelbaar is door het aanraken van een gloeilamp.

Hoewel botsingen met roosteronzuiverheden vaak voorkomen, zijn botsingen tussen elektronen veel zeldzamer. De situatie verandert echter wanneer grafeen, een enkele laag koolstofatomen gerangschikt in een honingraatrooster, wordt gebruikt in plaats van een gewoon ijzer- of koperdraad.

In grafeen zijn botsingen met onzuiverheden zeldzaam en spelen botsingen tussen elektronen de hoofdrol. In dit geval gedragen de elektronen zich meer als een stroperige vloeistof. Daarom zouden bekende stromingsverschijnselen zoals wervels in de grafeenlaag moeten optreden.

Rapportage in het journaal Wetenschapzijn onderzoekers van ETH Zürich in de groep van Christian Degen er nu voor het eerst in geslaagd om elektronenwervelingen in grafeen rechtstreeks te detecteren, met behulp van een magnetische veldsensor met hoge resolutie.

Zeer gevoelige kwantumsensormicroscoop

De wervels vormden zich in kleine cirkelvormige schijven die Degen en zijn collega’s tijdens het fabricageproces hadden bevestigd aan een geleidende grafeenstrook van slechts één micrometer breed. De schijven hadden verschillende diameters tussen 1,2 en 3 micrometer. Theoretische berekeningen suggereerden dat elektronenwervelingen zich zouden moeten vormen in de kleinere, maar niet in de grotere schijven.

Om de wervels zichtbaar te maken, maten de onderzoekers de kleine magnetische velden die werden geproduceerd door de elektronen die in het grafeen stroomden. Voor dit doel gebruikten ze een kwantummagnetische veldsensor bestaande uit een zogenaamd stikstof-vacancy (NV) centrum ingebed in de punt van een diamantnaald.

Omdat het een atoomdefect is, gedraagt ​​het NV-centrum zich als een kwantumobject waarvan de energieniveaus afhankelijk zijn van een extern magnetisch veld. Met behulp van laserstralen en microgolfpulsen kunnen de kwantumtoestanden van het centrum zo worden voorbereid dat ze maximaal gevoelig zijn voor magnetische velden. Door de kwantumtoestanden met een laser uit te lezen, konden de onderzoekers heel precies de sterkte van die velden bepalen.

“Vanwege de kleine afmetingen van de diamantnaald en de kleine afstand tot de grafeenlaag – slechts zo’n 70 nanometer – konden we de elektronenstromen zichtbaar maken met een resolutie van minder dan honderd nanometer”, zegt Marius Palm, een voormalige Ph.D. student in de groep van Degen. Deze resolutie is voldoende om de wervels te kunnen zien.

Omgekeerde stroomrichting

Bij hun metingen observeerden de onderzoekers een kenmerkend teken van de verwachte wervels in de kleinere schijven: een omkering van de stroomrichting. Terwijl bij normaal (diffusief) elektronentransport de elektronen in strip en schijf in dezelfde richting stromen, is in het geval van een werveling de stroomrichting binnen de schijf omgekeerd. Zoals voorspeld door de berekeningen konden er geen wervels worden waargenomen in de grotere schijven.

“Dankzij onze extreem gevoelige sensor en hoge ruimtelijke resolutie hoefden we het grafeen niet eens af te koelen en konden we de experimenten bij kamertemperatuur uitvoeren”, zegt Palm. Bovendien ontdekten hij en zijn collega’s niet alleen elektronenwervelingen, maar ook wervels gevormd door gatendragers.

Door een elektrische spanning van onder het grafeen aan te leggen, veranderden ze het aantal vrije elektronen zodanig dat de stroom niet langer door elektronen werd gevoerd, maar door ontbrekende elektronen, ook wel gaten genoemd. Alleen op het ladingsneutraliteitspunt, waar er een kleine en evenwichtige concentratie van zowel elektronen als gaten is, verdwenen de wervels volledig.

“Op dit moment is de detectie van elektronenwervelingen fundamenteel onderzoek en er zijn nog steeds veel open vragen”, zegt Palm. Onderzoekers moeten bijvoorbeeld nog uitzoeken hoe botsingen van de elektronen met de grenzen van grafeen het stromingspatroon beïnvloeden, en welke effecten optreden in nog kleinere structuren.

De nieuwe detectiemethode die door de ETH-onderzoekers wordt gebruikt, maakt het ook mogelijk om veel andere exotische elektronentransporteffecten in mesoscopische structuren nader te bekijken – verschijnselen die voorkomen op lengteschalen van enkele tientallen nanometers tot enkele micrometers.