När en vanlig elektrisk ledare – som en metalltråd – är ansluten till ett batteri, accelereras elektronerna i ledaren av det elektriska fält som skapas av batteriet. När de rör sig kolliderar elektroner ofta med föroreningsatomer eller vakanser i trådens kristallgitter och omvandlar en del av deras rörelseenergi till gittervibrationer. Energin som går förlorad i denna process omvandlas till värme som kan kännas till exempel genom att röra en glödlampa.
Medan kollisioner med gallerföroreningar sker ofta, är kollisioner mellan elektroner mycket sällsynta. Situationen förändras dock när grafen, ett enda lager av kolatomer ordnade i ett bikakegitter, används istället för en vanlig järn- eller koppartråd.
I grafen är föroreningskollisioner sällsynta och kollisioner mellan elektroner spelar huvudrollen. I det här fallet beter sig elektronerna mer som en trögflytande vätska. Därför bör välkända flödesfenomen som virvlar förekomma i grafenskiktet.
Rapportering i tidskriften Science , forskare vid ETH Zürich i gruppen Christian Degen har nu för första gången lyckats detektera elektronvirvlar i grafen med hjälp av en högupplöst magnetfältssensor.
Virvlarna bildades i små cirkulära skivor som Degen och hans medarbetare hade fäst under tillverkningsprocessen på en ledande grafenremsa som bara var en mikrometer bred. Skivorna hade olika diametrar mellan 1,2 och 3 mikrometer. Teoretiska beräkningar antydde att elektronvirvlar skulle bildas i de mindre, men inte i de större skivorna.
För att göra virvlarna synliga mätte forskarna de små magnetiska fälten som produceras av elektronerna som flödar inuti grafenet. För detta ändamål använde de en kvantmagnetisk fältsensor bestående av ett så kallat kvävevakanscentrum (NV) inbäddat i spetsen av en diamantnål.
Eftersom det är en atomär defekt, beter sig NV-centret som ett kvantobjekt vars energinivåer beror på ett externt magnetfält. Med hjälp av laserstrålar och mikrovågspulser kan centrets kvanttillstånd förberedas på ett sådant sätt att de är maximalt känsliga för magnetfält. Genom att läsa ut kvanttillstånden med en laser kunde forskarna bestämma styrkan hos dessa fält mycket exakt.
"På grund av diamantnålens små dimensioner och det lilla avståndet från grafenlagret - bara runt 70 nanometer - kunde vi göra elektronströmmarna synliga med en upplösning på mindre än hundra nanometer", säger Marius Palm, en f.d. Ph.D. elev i Degens grupp. Denna upplösning är tillräcklig för att se virvlarna.
I sina mätningar observerade forskarna ett karakteristiskt tecken på de förväntade virvlarna i de mindre skivorna:en omkastning av flödesriktningen. Medan vid normal (diffusiv) elektrontransport strömmar elektronerna i remsan och skivan i samma riktning, i fallet med en virvel inverteras flödesriktningen inuti skivan. Som förutspått av beräkningarna kunde inga virvlar observeras i de större skivorna.
"Tack vare vår extremt känsliga sensor och höga rumsliga upplösning behövde vi inte ens kyla ner grafenet och kunde genomföra experimenten i rumstemperatur", säger Palm. Dessutom upptäckte han och hans kollegor inte bara elektronvirvlar, utan också virvlar bildade av hålbärare.
Genom att lägga på en elektrisk spänning underifrån grafenen ändrade de antalet fria elektroner på ett sådant sätt att strömflödet inte längre bars av elektroner, utan snarare av saknade elektroner, även kallade hål. Först vid laddningsneutralitetspunkten, där det finns en liten och balanserad koncentration av både elektroner och hål, försvann virvlarna helt.
"I det här ögonblicket är upptäckten av elektronvirvlar grundforskning, och det finns fortfarande många öppna frågor", säger Palm. Till exempel behöver forskare fortfarande ta reda på hur kollisioner mellan elektronerna och grafenens gränser påverkar flödesmönstret och vilka effekter som uppstår i ännu mindre strukturer.
Den nya detektionsmetoden som används av ETH-forskarna gör det också möjligt att titta närmare på många andra exotiska elektrontransporteffekter i mesoskopiska strukturer – fenomen som inträffar på längdskalor från flera tiotals nanometer upp till några mikrometer.
Mer information: Marius L. Palm et al, Observation av nuvarande virvlar i grafen vid rumstemperatur, Science (2024). DOI:10.1126/science.adj2167
Journalinformation: Vetenskap
Tillhandahålls av ETH Zürich
