Forskare vid University of Melbourne är de första i världen att avbilda hur elektroner rör sig i tvådimensionell grafen, ett lyft för utvecklingen av nästa generations elektronik.

Kan avbilda beteendet hos rörliga elektroner i strukturer endast en atom i tjocklek, den nya tekniken övervinner betydande begränsningar med befintliga metoder för att förstå elektriska strömmar i enheter baserade på ultratunna material.

"Nästa generations elektroniska enheter baserade på ultratunna material, inklusive kvantdatorer, kommer att vara särskilt sårbara för att innehålla små sprickor och defekter som stör strömflödet, sa professor Lloyd Hollenberg, Biträdande direktör för Center for Quantum Computation and Communication Technology (CQC2T) och Thomas Baker ordförande vid University of Melbourne.

Ett team ledd av Hollenberg använde en speciell kvantsond baserad på ett "färgcentrum" i atomstorlek som bara finns i diamanter för att avbilda flödet av elektriska strömmar i grafen. Tekniken kan användas för att förstå elektronbeteende i en mängd olika nya tekniker.

"Förmågan att se hur elektriska strömmar påverkas av dessa brister kommer att göra det möjligt för forskare att förbättra tillförlitligheten och prestandan hos befintliga och framväxande teknologier. Vi är mycket glada över detta resultat, vilket gör att vi kan avslöja det mikroskopiska beteendet hos ström i kvantberäkningsenheter, grafen och andra 2D -material, " han sa.

"Forskare vid CQC2T har gjort stora framsteg när det gäller tillverkning av nanoelektronik i kisel i atomär skala för kvantdatorer. Liksom grafenark, dessa nanoelektroniska strukturer är i huvudsak en atom tjocka. Framgången för vår nya avkänningsteknik innebär att vi har potential att observera hur elektroner rör sig i sådana strukturer och hjälpa vår framtida förståelse av hur kvantdatorer kommer att fungera."

Förutom att förstå nanoelektronik som styr kvantdatorer, tekniken kan användas med 2D-material för att utveckla nästa generations elektronik, energilagring (batterier), flexibla displayer och biokemiska sensorer.

"Vår teknik är kraftfull men ändå relativt enkel att implementera, vilket innebär att det kan antas av forskare och ingenjörer från ett brett spektrum av discipliner, " sa huvudförfattaren Dr Jean-Philippe Tetienne från CQC2T vid University of Melbourne.

"Att använda magnetfältet för rörliga elektroner är en gammal idé inom fysiken, men det här är en ny implementering i mikroskala med 2000-talsapplikationer."

Arbetet var ett samarbete mellan diamantbaserad kvantavkänning och grafenforskare. Deras kompletterande expertis var avgörande för att övervinna tekniska problem med att kombinera diamant och grafen.

"Ingen har kunnat se vad som händer med elektriska strömmar i grafen tidigare, sade Nikolai Dontschuk, en grafenforskare vid University of Melbourne School of Physics.

"Att bygga en enhet som kombinerade grafen med det extremt känsliga kvävefärgcentret i diamant var utmanande, men en viktig fördel med vårt tillvägagångssätt är att det är icke-invasivt och robust - vi stör inte strömmen genom att känna av den på detta sätt, " han sa.

Tetienne förklarade hur teamet kunde använda diamant för att framgångsrikt avbilda strömmen.

"Vår metod är att lysa en grön laser på diamanten, och se rött ljus som uppstår från färgcentrets svar på en elektrons magnetfält, " han sa.

"Genom att analysera intensiteten hos det röda ljuset, vi bestämmer magnetfältet som skapas av den elektriska strömmen och kan avbilda det, och bokstavligen se effekten av materiella ofullkomligheter."

De aktuella bildresultaten publicerades idag i tidningen Vetenskapens framsteg .