Talking ScienceΕρευνητές στο ETH Zurich κατέστησαν για πρώτη φορά ορατό πώς τα ηλεκτρόνια σχηματίζουν δίνες σε ένα υλικό σε θερμοκρασία δωματίου. Το πείραμα τους χρησιμοποίησε ένα μικροσκόπιο κβαντικής ανίχνευσης με εξαιρετικά υψηλή ανάλυση.
Εν συντομία
- Στο γραφένιο, τα ηλεκτρόνια συμπεριφέρονται σαν υγρό. Αυτό μπορεί να οδηγήσει στο σχηματισμό δίνων.
- Τέτοιες δίνες ηλεκτρονίων έχουν πλέον γίνει ορατές χρησιμοποιώντας έναν αισθητήρα κβαντικού μαγνητικού πεδίου με υψηλή χωρική ανάλυση.
- Τυπικά, τα φαινόμενα μεταφοράς εντοπίζονται ευκολότερα σε χαμηλές θερμοκρασίες. Χάρη στον εξαιρετικά ευαίσθητο αισθητήρα τους, οι ερευνητές του ETH μπόρεσαν να παρατηρήσουν δίνες ακόμη και σε θερμοκρασία δωματίου.
Όταν ένας συνηθισμένος ηλεκτρικός αγωγός – όπως ένα μεταλλικό σύρμα – συνδέεται με μια μπαταρία, τα ηλεκτρόνια στον αγωγό επιταχύνονται από το ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργείται από την μπαταρία. Ενώ κινούνται, τα ηλεκτρόνια συχνά συγκρούονται με άτομα ακαθαρσίας ή κενά στο κρυσταλλικό πλέγμα του σύρματος και μετατρέπουν μέρος της κινητικής τους ενέργειας σε δονήσεις πλέγματος. Η ενέργεια που χάνεται σε αυτή τη διαδικασία μετατρέπεται σε θερμότητα που μπορεί να γίνει αισθητή, για παράδειγμα, αγγίζοντας μια λάμπα πυρακτώσεως.
Ενώ οι συγκρούσεις με ακαθαρσίες πλέγματος συμβαίνουν συχνά, οι συγκρούσεις μεταξύ ηλεκτρονίων είναι πολύ πιο σπάνιες. Η κατάσταση αλλάζει, ωστόσο, όταν το γραφένιο, ένα μόνο στρώμα ατόμων άνθρακα διατεταγμένα σε ένα πλέγμα κηρήθρας, χρησιμοποιείται αντί για ένα κοινό σύρμα από σίδηρο ή χαλκό. Στο γραφένιο, οι συγκρούσεις ακαθαρσιών είναι σπάνιες και οι συγκρούσεις μεταξύ ηλεκτρονίων παίζουν τον πρωταγωνιστικό ρόλο. Σε αυτή την περίπτωση, τα ηλεκτρόνια συμπεριφέρονται περισσότερο σαν ένα παχύρρευστο υγρό. Επομένως, γνωστά φαινόμενα ροής όπως οι δίνες θα πρέπει να συμβαίνουν στο στρώμα γραφενίου.
Με αναφορά στο επιστημονικό περιοδικό Science ερευνητές στο ETH Zurich στην ομάδα του Christian Degen κατάφεραν τώρα να ανιχνεύσουν άμεσα ηλεκτρονιακές δίνες στο γραφένιο για πρώτη φορά, χρησιμοποιώντας έναν αισθητήρα μαγνητικού πεδίου υψηλής ανάλυσης.
Πολύ ευαίσθητο κβαντικό μικροσκόπιο ανίχνευσης
Οι δίνες σχηματίστηκαν σε μικρούς κυκλικούς δίσκους που ο Degen και οι συνεργάτες του είχαν συνδέσει κατά τη διαδικασία κατασκευής σε μια αγώγιμη λωρίδα γραφενίου πλάτους μόνο ενός μικρομέτρου. Οι δίσκοι είχαν διαφορετικές διαμέτρους μεταξύ 1,2 και 3 μικρομέτρων. Οι θεωρητικοί υπολογισμοί πρότειναν ότι οι δίνες ηλεκτρονίων πρέπει να σχηματίζονται στους μικρότερους, αλλά όχι στους μεγαλύτερους δίσκους.
Για να κάνουν ορατές τις δίνες, οι ερευνητές μέτρησαν τα μικροσκοπικά μαγνητικά πεδία που παράγονται από τα ηλεκτρόνια που ρέουν μέσα στο γραφένιο. Για το σκοπό αυτό, χρησιμοποίησαν έναν αισθητήρα κβαντικού μαγνητικού πεδίου που αποτελείται από ένα λεγόμενο κέντρο κενού αζώτου (NV) ενσωματωμένο στην άκρη μιας διαμαντένιας βελόνας. Ως ατομικό ελάττωμα, το κέντρο NV συμπεριφέρεται σαν ένα κβαντικό αντικείμενο του οποίου τα επίπεδα ενέργειας εξαρτώνται από ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Χρησιμοποιώντας ακτίνες λέιζερ και παλμούς μικροκυμάτων, οι κβαντικές καταστάσεις του κέντρου μπορούν να προετοιμαστούν με τέτοιο τρόπο ώστε να είναι όσο το δυνατόν πιο ευαίσθητες στα μαγνητικά πεδία. Διαβάζοντας τις κβαντικές καταστάσεις με λέιζερ, οι ερευνητές θα μπορούσαν να προσδιορίσουν την ισχύ αυτών των πεδίων με μεγάλη ακρίβεια.
«Λόγω των μικροσκοπικών διαστάσεων της βελόνας διαμαντιού και της μικρής απόστασης από το στρώμα γραφενίου –μόνο περίπου 70 νανόμετρα– μπορέσαμε να κάνουμε ορατά τα ρεύματα ηλεκτρονίων με ανάλυση μικρότερη από εκατό νανόμετρα», λέει ο Marius Palm, πρώην Διδάκτορας στην ομάδα του Degen. Αυτή η ανάλυση είναι επαρκής για να δείτε τις δίνες.
Αντεστραμμένη κατεύθυνση ροής
Στις μετρήσεις τους, οι ερευνητές παρατήρησαν ένα χαρακτηριστικό σημάδι των αναμενόμενων στροβίλων στους μικρότερους δίσκους: μια αντιστροφή της κατεύθυνσης της ροής. Ενώ στην κανονική (διάχυτη) μεταφορά ηλεκτρονίων, τα ηλεκτρόνια στη λωρίδα και στο δίσκο ρέουν προς την ίδια κατεύθυνση, στην περίπτωση μιας δίνης, η κατεύθυνση ροής μέσα στον δίσκο είναι ανεστραμμένη. Όπως προβλέφθηκε από τους υπολογισμούς, δεν παρατηρήθηκαν δίνες στους μεγαλύτερους δίσκους.
«Χάρη στον εξαιρετικά ευαίσθητο αισθητήρα μας και την υψηλή χωρική ανάλυση, δεν χρειάστηκε καν να ψύξουμε το γραφένιο και μπορέσαμε να διεξάγουμε τα πειράματα σε θερμοκρασία δωματίου», λέει ο Palm. Επιπλέον, αυτός και οι συνάδελφοί του όχι μόνο ανίχνευσαν δίνες ηλεκτρονίων, αλλά και δίνες που σχηματίζονται από φορείς οπών. Εφαρμόζοντας ηλεκτρική τάση κάτω από το γραφένιο, άλλαξαν τον αριθμό των ελεύθερων ηλεκτρονίων με τέτοιο τρόπο ώστε η ροή του ρεύματος να μην μεταφέρεται πλέον από ηλεκτρόνια, αλλά από ηλεκτρόνια που λείπουν, που ονομάζονται επίσης τρύπες. Μόνο στο σημείο ουδετερότητας φορτίου, όπου υπάρχει μια μικρή και ισορροπημένη συγκέντρωση τόσο ηλεκτρονίων όσο και οπών, οι δίνες εξαφανίστηκαν εντελώς.
«Αυτή τη στιγμή, η ανίχνευση ηλεκτρονίων δίνων είναι βασική έρευνα και υπάρχουν ακόμα πολλά ανοιχτά ερωτήματα», λέει ο Palm. Για παράδειγμα, οι ερευνητές πρέπει ακόμα να καταλάβουν πώς οι συγκρούσεις των ηλεκτρονίων με τα σύνορα του γραφενίου επηρεάζουν το μοτίβο ροής και ποια αποτελέσματα συμβαίνουν σε ακόμη μικρότερες δομές. Η νέα μέθοδος ανίχνευσης που χρησιμοποιήθηκε από τους ερευνητές του ETH επιτρέπει επίσης να ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά σε πολλά άλλα εξωτικά φαινόμενα μεταφοράς ηλεκτρονίων σε μεσοσκοπικές δομές – φαινόμενα που συμβαίνουν σε κλίμακες μήκους από αρκετές δεκάδες νανόμετρα έως μερικά μικρόμετρα.
Aναδημοσίευση άρθρου του Oliver Morsch 24.04.2024 στο ETH Zurich News. Link to original article >
Πηγή: Palm M, Ding C, Huxter W, Taniguchi T., Watanabe K, Degen C: Observation of current whirlpools in graphene at room temperature. Science, 25. April 2024, DOI: 10.1126/science.adj2167
