這聽(tīng)起來(lái)像是純巫術(shù)：使用鉆石觀察無(wú)形的動(dòng)力在精心制作的通道中回旋和流動(dòng)。但是這些鉆石是現(xiàn)實(shí)的。JQI研究員Ronald Walsworth和量子技術(shù)中心(QTC)博士后研究員Mark Ku以及來(lái)自其他機(jī)構(gòu)的同事，包括哈佛大學(xué)的Amir Yacoby教授和博士后研究員Tony Zhou，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種使用鉆石查看電子的難以捉摸細(xì)節(jié)的方法潮流。

這項(xiàng)新技術(shù)為研究人員提供了微觀世界中電的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的地圖。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)揭示在石墨烯中流動(dòng)的異常電流來(lái)展示該技術(shù)的潛力，石墨烯是一個(gè)只有一個(gè)原子厚的碳層。石墨烯具有出色的電性能，該技術(shù)可以幫助研究人員更好地了解石墨烯和其他材料，并為它們找到新的用途。

在7月22日發(fā)表在《自然》雜志上的一篇論文中，研究小組描述了他們基于鉆石的量子傳感器如何在石墨烯中產(chǎn)生電流圖像。他們的結(jié)果首次揭示了室溫石墨烯如何產(chǎn)生流過(guò)水的電流的細(xì)節(jié)，而不是通過(guò)普通電線流過(guò)電流的細(xì)節(jié)。凝聚態(tài)物理的核心課題。”論文的主要作者Ku說(shuō)。“特別是，電子的集體行為類(lèi)似于具有摩擦的流體的集體行為，可能為解釋高溫超導(dǎo)體的某些令人困惑的特性提供了關(guān)鍵。”

了解材料內(nèi)部的電流并非易事。畢竟，一根帶電的電線看上去與一根空電線完全一樣。但是，載流電線與不攜帶電力的電線之間存在看不見(jiàn)的區(qū)別：運(yùn)動(dòng)的電荷始終會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。但是，如果您想查看電流的精細(xì)細(xì)節(jié)，則需要相應(yīng)地仔細(xì)觀察磁場(chǎng)，這是一個(gè)挑戰(zhàn)。如果您申請(qǐng)鈍化工具(例如電磁羅盤(pán))，則所有細(xì)節(jié)都會(huì)被洗掉，而您只需測(cè)量平均性能即可。

同時(shí)還是馬里蘭大學(xué)量子技術(shù)中心主任的沃爾斯沃思(Walsworth)專(zhuān)門(mén)從事磁場(chǎng)的超精密測(cè)量。他的成功在于揮舞鉆石，或更具體地說(shuō)是人造鉆石的量子缺陷。

鉆石原石

邁克爾說(shuō)：“鉆石實(shí)際上是以最無(wú)聊的方式排列的碳分子，”不朽的人物出現(xiàn)在NBC情景喜劇“好地方”中。但是碳分子的有序排列并不總是那么無(wú)聊和完美。

瑕疵可在鉆石中形成家，并通過(guò)周?chē)行虻慕Y(jié)構(gòu)使其穩(wěn)定。Walsworth和他的團(tuán)隊(duì)專(zhuān)注于稱為氮空位的缺陷，該缺陷將相鄰的兩個(gè)碳原子換成氮原子和空位。

沃爾斯沃思說(shuō)：“氮的空位就像凍結(jié)在晶格中的原子或離子一樣。” “鉆石除了方便地固定在原地之外沒(méi)有太大作用。鉆石中的氮空位很像自由空間中的原子，具有量子力學(xué)性質(zhì)，例如能級(jí)和自旋，它吸收并發(fā)射像單個(gè)光子一樣發(fā)光。”

氮空位吸收綠光，然后以較低能量的紅光發(fā)出;這種現(xiàn)象類(lèi)似于交通錐中原子的熒光，產(chǎn)生超亮橙色。發(fā)出的紅光強(qiáng)度取決于氮空位如何保持能量，該能量對(duì)周?chē)拇艌?chǎng)敏感。

因此，如果研究人員將氮空位放在磁場(chǎng)附近，并在鉆石上發(fā)出綠光，他們就可以通過(guò)分析產(chǎn)生的光來(lái)確定磁場(chǎng)。由于電流與磁場(chǎng)之間的關(guān)系已被很好地理解，因此它們收集的信息有助于繪制電流的詳細(xì)圖像。

為了了解石墨烯中的電流，研究人員以兩種方式使用了氮空位。

第一種方法提供最詳細(xì)的視圖。研究人員在一個(gè)導(dǎo)電通道上直接運(yùn)行一個(gè)包含單個(gè)氮空位的微小鉆石。該過(guò)程沿電流的細(xì)線測(cè)量磁場(chǎng)，并揭示電流在大約50納米的距離上的變化(他們研究的石墨烯通道的寬度大約為1,000至1,500納米)。但是該方法很耗時(shí)，并且使測(cè)量保持一致以形成完整的圖像具有挑戰(zhàn)性。

他們的第二種方法可以生成特定時(shí)刻的電流的完整二維快照，如上圖所示。石墨烯完全擱置在含有許多氮空位的金剛石板上。這種互補(bǔ)方法會(huì)產(chǎn)生模糊的圖像，但允許他們立即查看整個(gè)電流。

不是你的普通電流

研究人員使用這些工具來(lái)研究物理?xiàng)l件特別豐富的情況下石墨烯中的電流流動(dòng)。在適當(dāng)?shù)臈l件下，石墨烯的電流不僅可以由電子產(chǎn)生，還可以由等量的帶正電荷的表親(通常稱為空穴，因?yàn)樗鼈兇砣笔У碾娮?產(chǎn)生。在石墨烯中，兩種電荷強(qiáng)烈地相互作用并形成所謂的狄拉克流體。研究人員認(rèn)為，了解相互作用對(duì)狄拉克流體行為的影響可能會(huì)揭示出具有強(qiáng)相互作用的其他材料(例如高溫超導(dǎo)體)的秘密。特別是，Walsworth及其同事想確定狄拉克流體中的電流是更像水和蜂蜜一樣流動(dòng)，還是更像銅中的電流那樣流動(dòng)。

在流體中，各個(gè)粒子相互作用很多，相互推動(dòng)和拉動(dòng)。這些相互作用是造成漩渦渦旋的原因，也是對(duì)在流體中流動(dòng)的物體產(chǎn)生阻力的原因。具有這種相互作用的流體稱為粘性流體。像蜂蜜或糖漿這樣的粘稠液體會(huì)比粘稠的水粘稠得多。

但是，即使水也足夠粘稠，無(wú)法在光滑的管道中均勻流動(dòng)。水越靠近管道邊緣，流過(guò)管道中心的電流越大，速度就越慢。這種特定類(lèi)型的不均勻流動(dòng)稱為粘性Poiseuille流動(dòng)，以JeanLéonardMarie Poiseuille的名字命名。JeanLéonardMarie Poiseuille對(duì)青蛙中的微小血管中的血液流動(dòng)的研究激發(fā)了他研究流體如何流過(guò)小管的能力。

相比之下，正常導(dǎo)體中的電子(如計(jì)算機(jī)和墻壁中的電線)相互作用不大。它們受導(dǎo)電材料內(nèi)環(huán)境的影響更大，尤其是通常是材料中的雜質(zhì)。從個(gè)體的角度來(lái)看，它們的運(yùn)動(dòng)更像是香水在空中飄動(dòng)的動(dòng)作，而不是水從管道中沖下來(lái)。每個(gè)電子主要做自己的事情，從一種雜質(zhì)反彈到另一種雜質(zhì)，就像香水分子在空氣分子之間反彈一樣。因此，電流趨于散布并均勻地流動(dòng)，一直到導(dǎo)體的邊緣。

但是，在某些材料(例如石墨烯)中，研究人員意識(shí)到電流的行為更像流體。它僅需要正確的強(qiáng)相互作用條件和很少的雜質(zhì)，就可以看到泊瓦伊耶流，渦旋和其他流體行為的電當(dāng)量。

Ku說(shuō)：“在這個(gè)最佳位置上沒(méi)有很多材料。” “石墨烯就是這種材料。當(dāng)您將大多數(shù)其他導(dǎo)體置于非常低的溫度下以減少電子與雜質(zhì)的相互作用時(shí)，要么超導(dǎo)起作用，要么電子之間的相互作用不夠強(qiáng)。”

繪制石墨烯電流

盡管先前的研究表明電子可以在石墨烯中粘性流動(dòng)，但對(duì)于Dirac流體卻無(wú)法做到這一點(diǎn)，在Dirac流體中必須考慮電子與空穴之間的相互作用。以前，研究人員無(wú)法獲得狄拉克流體流的圖像來(lái)確認(rèn)細(xì)節(jié)，例如它是否是泊雪流。但是由Walsworth，Ku和他們的同事介紹的兩種新方法產(chǎn)生的圖像顯示，狄拉克流體流向石墨烯的邊緣減小，就像管道中的水一樣。他們還觀察到了室溫下的粘性行為。以前的實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明，石墨烯中的粘性電流僅限于較低的溫度。

研究小組認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)將有很多用途，Ku有興趣繼續(xù)進(jìn)行這一研究，并嘗試在擔(dān)任特拉華大學(xué)物理學(xué)助理教授的下一個(gè)職位上使用這些技術(shù)觀察新的粘性行為。除了提供對(duì)與狄拉克流體有關(guān)的物理學(xué)(如高溫超導(dǎo)體)的洞察力之外，該技術(shù)還可以揭示其他材料中的奇異電流，并為諸如量子自旋霍爾效應(yīng)和拓?fù)涑瑢?dǎo)現(xiàn)象提供新的見(jiàn)解。隨著研究人員更好地了解材料的新電子行為，他們也許還能夠開(kāi)發(fā)其他實(shí)際應(yīng)用，例如新型微電子。

沃爾斯沃思說(shuō)：“我們知道承載電流的物體有很多技術(shù)應(yīng)用。” “當(dāng)您發(fā)現(xiàn)一種新的物理現(xiàn)象時(shí)，最終，人們可能會(huì)想出一些技術(shù)上使用它的方式。我們希望將來(lái)為石墨烯中的粘性電流考慮這一點(diǎn)。”