Используя датчик магнитного поля (красная стрелка) внутри алмазной иглы, исследователи из ETH получили изображения электронных вихрей в слое графена (синий).

Когда обычный электрический проводник, например металлический провод, подсоединяется к батарее, электроны в проводнике ускоряются электрическим полем, создаваемым батареей. Во время движения электроны часто сталкиваются с атомами примесей или вакансиями в кристаллической решетке проволоки и преобразуют часть своей энергии движения в колебания решетки. Энергия, теряемая при этом процессе, преобразуется в тепло, которое можно ощутить, например, прикоснувшись к лампочке накаливания.

Столкновения с примесями решетки случаются часто, а вот столкновения между электронами происходят гораздо реже. Однако ситуация меняется, когда вместо обычной железной или медной проволоки используется графен — один слой атомов углерода, расположенных в сотовой решетке.

В графене столкновения примесей редки, и ведущую роль играют столкновения между электронами. В этом случае электроны ведут себя скорее как вязкая жидкость. Следовательно, в графеновом слое должны возникать хорошо известные явления течения, такие как вихри.

Как сообщает журнал Science, исследователям из ETH Zurich в группе Кристиана Дегена теперь впервые удалось напрямую обнаружить электронные вихри в графене, используя датчик магнитного поля высокого разрешения.

Высокочувствительный квантово-чувствительный микроскоп

Вихри образовывались в небольших круглых дисках, которые Деген и его коллеги прикрепили в процессе изготовления к проводящей графеновой полоске шириной всего один микрометр. Диски имели разный диаметр от 1,2 до 3 микрометров. Теоретические расчеты показали, что электронные вихри должны образовываться в меньших, а не в больших дисках.

Чтобы сделать вихри видимыми, исследователи измерили крошечные магнитные поля, создаваемые электронами, текущими внутри графена. Для этой цели они использовали квантовый датчик магнитного поля, состоящий из так называемого азотно-вакансионного (NV) центра, встроенного в кончик алмазной иглы.

Являясь атомным дефектом, NV-центр ведет себя как квантовый объект, энергетические уровни которого зависят от внешнего магнитного поля. С помощью лазерных лучей и микроволновых импульсов квантовые состояния центра можно подготовить таким образом, чтобы они были максимально чувствительны к магнитным полям. Считывая квантовые состояния с помощью лазера, исследователи смогли очень точно определить силу этих полей.

«Благодаря крошечным размерам алмазной иглы и небольшому расстоянию от графенового слоя — всего около 70 нанометров — мы смогли сделать электронные токи видимыми с разрешением менее ста нанометров», — говорит Мариус Палм, бывший исследователь Кандидат наук. ученица группы Дегена. Этого разрешения достаточно, чтобы увидеть вихри.

Инвертированное направление потока

В своих измерениях исследователи наблюдали характерный признак ожидаемых вихрей в меньших дисках: изменение направления потока. Если при нормальном (диффузионном) транспорте электронов электроны в полосе и диске движутся в одном направлении, то в случае вихря направление потока внутри диска инвертируется. Как и предсказывали расчеты, в более крупных дисках вихрей наблюдаться не могло.

«Благодаря нашему чрезвычайно чувствительному сенсору и высокому пространственному разрешению нам даже не пришлось охлаждать графен, и мы смогли проводить эксперименты при комнатной температуре», — говорит Палм. Более того, он и его коллеги обнаружили не только электронные вихри, но и вихри, образованные дырочными носителями.

Приложив электрическое напряжение снизу графена, они изменили количество свободных электронов таким образом, что ток переносится уже не электронами, а недостающими электронами, также называемыми дырками. Лишь в точке зарядовой нейтральности, где имеется небольшая и сбалансированная концентрация как электронов, так и дырок, вихри исчезли полностью.

«На данный момент обнаружение электронных вихрей является фундаментальным исследованием, и остается еще много открытых вопросов», — говорит Палм. Например, исследователям еще предстоит выяснить, как столкновения электронов с границами графена влияют на структуру потока и какие эффекты происходят в еще более мелких структурах.

Новый метод обнаружения, используемый исследователями ETH, также позволяет более внимательно изучить многие другие экзотические эффекты электронного транспорта в мезоскопических структурах — явления, которые происходят на масштабах длины от нескольких десятков нанометров до нескольких микрометров.