Det låter som ren trolldom:att använda diamanter för att observera osynlig kraft som virvlar och flödar genom noggrant utformade kanaler. Men dessa diamanter är en verklighet. JQI Fellow Ronald Walsworth och Quantum Technology Center (QTC) postdoktor Mark Ku, tillsammans med kollegor från flera andra institutioner, inklusive professor Amir Yacoby och postdoktor Tony Zhou vid Harvard, har utvecklat ett sätt att använda diamanter för att se de svårfångade detaljerna i elektriska strömmar.

Den nya tekniken ger forskarna en karta över elektricitetens invecklade rörelse i den mikroskopiska världen. Teamet visade teknikens potential genom att avslöja de ovanliga elektriska strömmarna som flyter i grafen, ett lager av kol bara en atom tjockt. Grafen har exceptionella elektriska egenskaper, och tekniken kan hjälpa forskare att bättre förstå grafen och andra material och hitta nya användningsområden för dem.

I en artikel publicerad den 22 juli i tidskriften Natur , teamet beskriver hur deras diamantbaserade kvantsensorer producerar bilder av strömmar i grafen. Deras resultat avslöjade, för första gången, detaljer om hur rumstemperaturgrafen kan producera elektriska strömmar som flödar mer som vatten genom rör än elektricitet genom vanliga ledningar. "Förstår starkt interagerande kvantsystem, som strömmarna i vårt grafenexperiment, är ett centralt ämne i kondenserad fysik, säger Ku, tidningens huvudförfattare. "Särskilt, Kollektiva beteenden hos elektroner som liknar vätskor med friktion kan vara en nyckel till att förklara några av de förbryllande egenskaperna hos högtemperatursupraledare."

Det är ingen lätt uppgift att få en glimt av strömmen inuti ett material. Trots allt, en tråd som lever med elektricitet ser identisk ut med en död tråd. Dock, det finns en osynlig skillnad mellan en strömförande tråd och en som inte har någon elektrisk kraft:En rörlig laddning genererar alltid ett magnetfält. Men om du vill se de fina detaljerna i strömmen behöver du en motsvarande närmare titt på magnetfältet, vilket är en utmaning. Om du ansöker om att trubba ett verktyg, som en magnetisk kompass, alla detaljer tvättas bort och man mäter bara det genomsnittliga beteendet.

Walsworth, som också är direktör för University of Maryland Quantum Technology Center, specialiserat på ultraexakta mätningar av magnetfält. Hans framgång ligger i att använda diamanter, eller mer specifikt kvantimperfektioner i konstgjorda diamanter.

The Rough in the Diamond

"Diamanter är bokstavligen kolmolekyler uppradade på det tråkigaste sättet, sa Michael, den odödliga varelsen i NBC sitcom "The Good Place". Men den ordnade anpassningen av kolmolekyler är inte alltid så tråkig och perfekt.

Ofullkomligheter kan göra deras hem i diamanter och stabiliseras av omgivningen, ordnad struktur. Walsworth och hans team fokuserar på brister som kallas kvävevakanser, som byter ut två av de angränsande kolatomerna mot en kväveatom och en vakans.

"Kvävevakansen fungerar som en atom eller en jon frusen i ett gitter, " säger Walsworth. "Och diamanten har inte så mycket effekt förutom att den bekvämt håller den på plats. En kvävevakans i en diamant, ungefär som en atom i ledigt utrymme, har kvantmekaniska egenskaper, som energinivåer och snurr, och den absorberar och avger ljus som individuella fotoner."

Kvävevakanserna absorberar grönt ljus, och sedan avge det som rött ljus med lägre energi; detta fenomen liknar fluorescensen av atomerna i trafikkoner som skapar den extra ljusa orange färgen. Intensiteten hos det röda ljuset som sänds ut beror på hur kvävevakansen håller energi, som är känslig för det omgivande magnetfältet.

Så om forskare placerar en kväve vakans nära en magnetisk källa och lyser grönt ljus på diamanten kan de bestämma magnetfältet genom att analysera det producerade ljuset. Eftersom förhållandet mellan strömmar och magnetfält är väl förstått, informationen de samlar in hjälper till att måla en detaljerad bild av strömmen.

För att få en titt på strömmarna i grafen, forskarna använde kvävevakanser på två sätt.

Den första metoden ger den mest detaljerade vyn. Forskare kör en liten diamant som innehåller en enda kvävevakans rakt över en ledande kanal. Denna process mäter magnetfältet längs en smal linje över en ström och avslöjar förändringar i strömmen över avstånd på cirka 50 nanometer (grafenkanalerna de undersöker var cirka 1, 000 till 1, 500 nanometer bred). Men metoden är tidskrävande, och det är utmanande att hålla mätningarna i linje för att bilda en komplett bild.

Deras andra tillvägagångssätt ger en komplett tvådimensionell ögonblicksbild, som det som visas på bilden ovan, av en ström vid ett visst ögonblick. Grafenen vilar helt på en diamantskiva som innehåller många kvävevakanser. Denna kompletterande metod genererar en suddigare bild men låter dem se hela strömmen på en gång.

Inte din vanliga ström

Forskarna använde dessa verktyg för att undersöka flödet av strömmar i grafen i en situation med särskilt rik fysik. Under rätt förutsättningar, grafen kan ha en ström som inte bara är gjord av elektroner utan av lika många positivt laddade kusiner – vanligtvis kallade hål eftersom de representerar en saknad elektron. I grafen, de två typerna av laddningar interagerar starkt och bildar det som kallas en Dirac -vätska. Forskare tror att förståelse av effekterna av interaktioner på beteendet hos Dirac-vätskan kan avslöja hemligheter för andra material med starka interaktioner, som högtemperatur superledare. Särskilt, Walsworth och kollegor ville avgöra om strömmen i Dirac-vätskan flyter mer som vatten och honung, eller som en elektrisk ström i koppar.

I en vätska, de enskilda partiklarna interagerar mycket - trycker och drar på varandra. Dessa interaktioner är ansvariga för bildandet av virvlande virvlar och draget på saker som rör sig genom en vätska. En vätska med dessa typer av interaktioner kallas viskös. Tjockare vätskor som honung eller sirap som verkligen drar på sig är mer trögflytande än tunnare vätskor som vatten.

Men även vatten är tillräckligt viskös för att rinna ojämnt i släta rör. Vattnet saktar ner ju närmare man kommer kanten på röret med snabbast ström i mitten av röret. Denna specifika typ av ojämnt flöde kallas viskös Poiseuille-flöde, uppkallad efter Jean Léonard Marie Poiseuille, vars studie av blod som färdades genom små blodkärl hos grodor inspirerade honom att undersöka hur vätskor strömmar genom små rör.

I kontrast, elektronerna i en normal ledare, som kablarna i datorer och väggar, interagerar inte mycket. De är mycket mer påverkade av miljön i det ledande materialet - ofta föroreningar i materialet i synnerhet. På den individuella skalan, deras rörelse är mer som parfym som svävar genom luften än vatten som forsar ner i ett rör. Varje elektron gör mest sin egen grej, studsar från en förorening till en annan som en parfymmolekyl som studsar mellan luftmolekyler. Så elektriska strömmar tenderar att spridas ut och flöda jämnt, ända upp till kanterna på ledaren.

Men i vissa material, som grafen, forskare insåg att elektriska strömmar kan bete sig mer som vätskor. Det krävs precis de rätta förhållandena med starka interaktioner och få föroreningar för att se de elektriska motsvarigheterna till Poiseuille flöda, virvlar och andra vätskebeteenden.

"Det finns inte många material på denna söta plats, "säger Ku." Graphene visar sig vara ett sådant material. När du tar de flesta andra ledare till mycket låg temperatur för att minska elektronens interaktioner med föroreningar, antingen drar supraledning igång eller så är interaktionerna mellan elektroner bara inte tillräckligt starka. "

Kartläggning av grafens strömmar

Medan tidigare forskning indikerade att elektronerna kan flyta viskös i grafen, de misslyckades med att göra det för en Dirac-vätska där växelverkan mellan elektroner och hål måste beaktas. Tidigare, forskare kunde inte få en bild av en Dirac Fluid -ström för att bekräfta detaljer som om det var ett Poiseuille -flöde. Men de två nya metoder som introducerades av Walsworth, Ku och deras kollegor producerar bilder som avslöjade att Dirac-vätskeströmmen minskar mot grafenens kanter, som det gör för vatten i ett rör. De observerade också det viskösa beteendet vid rumstemperatur; bevis från tidigare experiment för trögflytande elektriskt flöde i grafen var begränsade till kallare temperaturer.

Teamet tror att denna teknik kommer att ha många användningsområden, och Ku är intresserad av att fortsätta denna forskning och försöka observera nya viskösa beteenden med hjälp av dessa tekniker i sin nästa position som biträdande professor i fysik vid University of Delaware. Förutom att ge insikt i fysik relaterad till Dirac -vätskan som högtemperatur superledare, Tekniken kan också avslöja exotiska strömningar i andra material och ge nya insikter om fenomen som kvantspinn Hall-effekten och topologisk supraledning. Och eftersom forskare bättre förstår nya elektroniska beteenden hos material, de kanske också kan utveckla andra praktiska tillämpningar, som nya typer av mikroelektronik.

"Vi vet att det finns massor av tekniska tillämpningar för saker som bär elektriska strömmar, " säger Walsworth. "Och när du hittar ett nytt fysiskt fenomen, så småningom, folk kommer förmodligen att komma på något sätt att använda det tekniskt. Vi vill tänka på det för den viskösa strömmen i grafen i framtiden. "