Алмазы пролить свет на скрытые токов в графене

Это звучит как чистое волшебство: с помощью алмазов, чтобы наблюдать невидимые силы закрученного и течет по тщательно проработаны каналы. Но эти алмазы являются реальностью. JQI товарищ Рональд Walsworth и технологии квантового центра (группы) научный сотрудник Марк ку, а также их коллеги из ряда других институтов, в том числе Профессор Амир Yacoby и постдокторант Тони Чжоу Гарварда разработали способ использовать алмазы, чтобы видеть неуловимые детали электрических токов.

Новый метод дает исследователям карту замысловатые движения энергии в микроскопическом мире. Команда продемонстрировала потенциал техники, раскрывая необычные электрические токи, которые текут в графен, слой толщиной всего в один атом углерода. Графен обладает исключительными электрическими свойствами, а техника может помочь исследователям лучше понять, графена и других материалов и найти им новое применение.

В статье, опубликованной 22 июля в журнале Nature, команда описывает, как алмаз на основе квантовых датчиков получения изображений токов в графене. Их результаты показали, впервые, данные о том, как при комнатной температуре графен может произвести электрический ток, который течет как вода по трубам, чем электричество через обычные провода. «Понимание сильновзаимодействующих квантовых систем, таких, как токи в нашем эксперименте графена, тема является одной из центральных в физике конденсированных сред», — говорит Ку, ведущий автор бумаги. «В частности, коллективного поведения электронов, напоминающие те, жидкостей с трением может служить ключом к объяснению некоторых из загадочных свойств высокотемпературных сверхпроводников.»

Это не легкая задача, чтобы получить представление о текущей внутри материала. В конце концов, провода живым электричеством выглядит так же, как обесточенный провод. Однако, существует невидимая разница между силовых провода и один нес нет электропитание: движущийся заряд всегда создает магнитное поле. Но если вы хотите, чтобы увидеть мелкие детали ток вам нужен, соответственно, близкий взгляд на магнитное поле, которое является проблемой. Если вы обратитесь к тупым инструментом, как магнитный компас, все детали вымыты и просто измерить среднюю поведения.

Walsworth, который одновременно является директором университета технологии квантового центра Мэриленда, специализирующийся на ультра-точные измерения магнитных полей. Его успех заключается в обращении алмазов, или более специфически квантовые дефекты искусственных алмазов.

Грубо в Алмазном

«Алмазы буквально молекул углерода выстроились в самую скучную сторону», — сказал Михаил, бессмертное существо в программе NBC ситком «хорошее место». Но упорядоченное выравнивание молекул углерода не всегда так скучно и совершенным.

Недостатки можно превратить свой дом в алмазы и стабилизируется окружающими, упорядоченной структуры. Walsworth и его команда обращать внимание на недостатки азот вакансии, которые торгуют два соседних атома углерода на атом азота и вакансии.

«Вакансии азота действует, как атом или ион, «замороженных» в решетку», — говорит Walsworth. «И алмаз не имеет особого эффекта, кроме того, удобно удерживая его на месте. Вакансии азота в алмазе, так же, как атом в свободном пространстве, имеет квантово-механические свойства, как уровень энергии и спина, и она поглощает и излучает свет, как отдельные фотоны.»

Вакансии азота поглощают зеленый свет, а затем излучать его в качестве нижнего-энергетического красного света; это явление аналогично флуоресценции атомов в конусы, которые создают очень яркий оранжевый цвет. Интенсивность красного света, который излучается, зависит от того, как вакансии азота содержит энергию, которая чувствительна к окружающим магнитным полем.

Так что, если исследователи разместить вакансию азота вблизи источника магнитного поля, и светит зеленый свет на алмаз они могут определить магнитное поле, анализируя освещенность. Поскольку связь между токами и магнитными полями хорошо понимают, собираемую им информацию, помогает нарисовать картину течения.

Чтобы получить вид на токов в графене, исследователи использовали вакансий азота двумя способами.

Первый способ дает наиболее детальное представление. Исследователи бегать крохотным бриллиантом, содержащий одну вакансию азота прямо через проводящий канал. Этот процесс измеряет магнитное поле по узкой линии на текущие и показывает изменения в действующем на расстоянии около 50 нанометров (каналы графена они расследуют около 1000 до 1500 нанометров широко). Но этот способ занимает много времени, и это является сложной задачей, чтобы держать выровнены измерения, чтобы сформировать целостный образ.

Второй подход, производит весь двумерный снимок, как показано на картинке выше, тока в определенный момент. Графен целиком и полностью ложится на лист Диаманта, содержащий множество вакансий азота. Этот дополнительный метод создает размытое изображение, но позволяет им увидеть всю нынешнюю сразу.

Не Ваш Обычный Ток

Исследователи использовали эти инструменты, чтобы исследовать потоки токов в графене в ситуации с особенно богаты физики. При правильных условиях, графен может иметь ток, который состоит не только из электронов, но из равного количества положительно заряженных кузенов-обычно называют отверстия, потому что они представляют собой недостающий электрон. В графен, два вида зарядов взаимодействуют и образуют то, что называется Дирака жидкости. Исследователи считают, что понимание последствий взаимодействий на поведение Дирака жидкости может раскрыть секреты других материалов в сильных взаимодействиях, как высокотемпературные сверхпроводники. В частности, Walsworth и коллеги хотели определить, если ток в Дирака жидкость течет как вода и мед, или как электрический ток в меди.

В жидкости отдельные частицы взаимодействуют много-притягивание и отталкивание друг на друга. Эти взаимодействия отвечают за формирования кружащихся вихрей и сопротивление на вещи, движущегося в жидкости. Жидкость с такого рода взаимодействие называется вязкой. Более толстых жидкостей, таких как мед или сироп, что на самом деле тащить на себе несколько более вязкой, чем тоньше жидкости, как вода.

Но даже вода достаточно вязким, чтобы течь неравномерно в гладких трубах. Вода замедляется, чем ближе вы к краю трубы с максимальной тока в центре трубы. Этот специфический вид неравномерного потока называется вязкого течения Пуазейля, названный в честь Жан Леонар Мари Пуазейля, чьи исследования крови путешествия через крошечные кровеносные сосуды в лягушки вдохновил его, чтобы исследовать, как поток жидкости через трубочки.

В отличие от электронов в обычный проводник, как провода в компьютерах и стены, не очень-то взаимодействовать. Они гораздо больше зависит от среды, в рамках проведения материала, часто примеси в материале в частности. По индивидуальной шкале, их движение больше напоминает дух, доносящийся через воздух, чем вода прет вниз по трубе. Каждый электрон в основном делает свою собственную вещь, подпрыгивая от одной примеси к следующему, как молекула духи подпрыгивая между молекулами воздуха. Поэтому электрические токи имеют свойство расплываться и течь равномерно, на всем пути до края проводника.

Но в определенных материалов, как графен, исследователи поняли, что электрические токи могут вести себя подобно жидкостям. Он требует только правильных условиях сильных взаимодействий и несколько примесей, чтобы увидеть электрические эквиваленты пуазейлевского течения, вихри и другие жидкости поведения.

«Не многие материалы в этом сладком месте», — говорит Ку. «Графен оказывается такой материал. Вы знаете, когда другие проводники для очень низких температур для уменьшения взаимодействия электронов с примесями, либо сверхпроводимости ногами, или взаимодействие между электронами просто не достаточно сильны.»

Токи сопоставление графена

В то время как предыдущие исследования показали, что электроны могут течь вязкостно в графене, им не удалось этого сделать на Дирака жидкости, где взаимодействие электронов и дырок должны быть рассмотрены. Ранее исследователи не могли получить изображение Дирака течения, чтобы подтвердить детали, как если бы это был Пуазейля. Но два новых методов представлен Walsworth, ку и их коллеги производят изображения, которые показали, что Дирак жидкости ток уменьшается по направлению к краям графена, как это делает вода в трубе. Они также отметили, вязкое поведение при комнатной температуре; данные из предыдущих экспериментов для вязких электрического потока в графене ограничена низких температурах.

Команда считает, что этот метод найдет множество применений, и Ку заинтересована в продолжении этой линии исследования и старается соблюдать новые вязкого поведения, используя эти приемы в своей следующей позиции в качестве помощника профессора физики в Университете Делавэра. В дополнение к предоставлению понимание физики, связанных с Дирака жидкость, как высокотемпературные сверхпроводники, этот метод можно также выявить экзотических течений в других материалах и обеспечить новое понимание явлений, таких как квантовый спиновый эффект Холла и топологические сверхпроводимости. А исследователям лучше понять поведение новых электронных материалов, они могут развивать и другие практические приложения, а также, как новых видов микроэлектроники.

«Мы знаем, что есть много технологических решений для вещей, которые несут электрический ток», — говорит Walsworth. «И когда вы найдете нового физического явления, в конце концов, люди, вероятно, выяснить некоторый способ, чтобы использовать его в технологическом плане. Мы хотим думать о том, что для вязкого течения в графене в будущем».

почувствуйте разницу: спонсорские возможности