Un'immagine di una corrente elettrica nel grafene (contrassegnata dal contorno rosso) che mostra un flusso simile a un fluido ripreso utilizzando un sensore quantistico a base di diamante. La parte grigia è dove i contatti elettrici in metallo hanno impedito la raccolta di dati. Credito:gruppi di ricerca Walsworth e Yacoby, Harvard e Università del Maryland
Sembra pura stregoneria:usare i diamanti per osservare il potere invisibile che vortica e fluisce attraverso canali accuratamente realizzati. Ma questi diamanti sono una realtà. JQI Fellow Ronald Walsworth e Quantum Technology Center (QTC) Postdoctoral Associate Mark Ku, insieme a colleghi di diverse altre istituzioni, tra cui il Professor Amir Yacoby e il Postdoctoral Fellow Tony Zhou ad Harvard, hanno sviluppato un modo per utilizzare i diamanti per vedere i dettagli sfuggenti delle correnti elettriche.
La nuova tecnica offre ai ricercatori una mappa dell'intricato movimento dell'elettricità nel mondo microscopico. Il team ha dimostrato il potenziale della tecnica rivelando le insolite correnti elettriche che scorrono nel grafene, uno strato di carbonio dello spessore di un solo atomo. Il grafene ha proprietà elettriche eccezionali, e la tecnica potrebbe aiutare i ricercatori a comprendere meglio il grafene e altri materiali e trovare nuovi usi per loro.
In un articolo pubblicato il 22 luglio sulla rivista Natura , il team descrive come i loro sensori quantistici basati su diamanti producono immagini delle correnti nel grafene. I loro risultati hanno rivelato, per la prima volta, dettagli su come il grafene a temperatura ambiente può produrre correnti elettriche che scorrono più come l'acqua attraverso i tubi che come l'elettricità attraverso i normali fili. "Capire i sistemi quantistici fortemente interagenti, come le correnti nel nostro esperimento sul grafene, è un argomento centrale nella fisica della materia condensata, "dice Ku, l'autore principale dell'articolo. "In particolare, comportamenti collettivi di elettroni simili a quelli dei fluidi con attrito potrebbero fornire una chiave per spiegare alcune delle proprietà sconcertanti dei superconduttori ad alta temperatura".
Non è un compito facile intravedere la corrente all'interno di un materiale. Dopotutto, un filo vivo di elettricità sembra identico a un filo morto. Però, c'è una differenza invisibile tra un filo percorso da corrente e uno privo di energia elettrica:una carica in movimento genera sempre un campo magnetico. Ma se vuoi vedere i dettagli fini della corrente, hai bisogno di uno sguardo ravvicinato al campo magnetico, che è una sfida. Se ti applichi per smussare uno strumento, come una bussola magnetica, tutti i dettagli vengono lavati via e si misura solo il comportamento medio.
Walsworth, che è anche il direttore del Quantum Technology Center dell'Università del Maryland, è specializzato in misurazioni ultraprecise di campi magnetici. Il suo successo sta nel brandire diamanti, o più specificamente imperfezioni quantistiche nei diamanti artificiali.
Il grezzo nel diamante
"I diamanti sono letteralmente molecole di carbonio allineate nel modo più noioso, " ha detto Michele, l'essere immortale nella sitcom della NBC "The Good Place". Ma l'allineamento ordinato delle molecole di carbonio non è sempre così noioso e perfetto.
Le imperfezioni possono fare la loro casa nei diamanti ed essere stabilizzate dall'ambiente circostante, struttura ordinata. Walsworth e il suo team si concentrano su imperfezioni chiamate posti vacanti di azoto, che scambiano due degli atomi di carbonio vicini per un atomo di azoto e un posto vacante.
Configurazione del microscopio per catturare un'istantanea 2D di una corrente nel grafene tramite l'imaging del campo magnetico con vacanze di azoto nel diamante. La luce verde che eccita i NV è visibile nell'immagine. Credito:Mason C. Marshall, Harvard e Università del Maryland
"La vacanza di azoto si comporta come un atomo o uno ione congelato in un reticolo, " dice Walsworth. "E il diamante non ha molto effetto oltre a tenerlo comodamente in posizione. Una vacanza di azoto in un diamante, proprio come un atomo nello spazio libero, ha proprietà quantomeccaniche, come livelli di energia e spin, e assorbe ed emette luce come singoli fotoni."
Le vacanze di azoto assorbono la luce verde, e poi emetterlo come luce rossa a bassa energia; questo fenomeno è simile alla fluorescenza degli atomi nei coni spartitraffico che creano il colore arancio extra brillante. L'intensità della luce rossa emessa dipende da come la vacanza di azoto trattiene l'energia, che è sensibile al campo magnetico circostante.
Quindi, se i ricercatori posizionano una vacanza di azoto vicino a una fonte magnetica e fanno brillare una luce verde sul diamante, possono determinare il campo magnetico analizzando la luce prodotta. Poiché la relazione tra correnti e campi magnetici è ben compresa, le informazioni che raccolgono aiutano a dipingere un'immagine dettagliata della corrente.
Per dare un'occhiata alle correnti nel grafene, i ricercatori hanno utilizzato le offerte di azoto in due modi.
Il primo metodo fornisce la visualizzazione più dettagliata. I ricercatori eseguono un minuscolo diamante contenente un singolo posto vacante di azoto direttamente attraverso un canale conduttivo. Questo processo misura il campo magnetico lungo una linea stretta attraverso una corrente e rivela cambiamenti nella corrente su distanze di circa 50 nanometri (i canali di grafene che studiano erano circa 1, 000 a 1, 500 nanometri di larghezza). Ma il metodo richiede tempo, ed è difficile mantenere le misurazioni allineate per formare un'immagine completa.
Il loro secondo approccio produce un'istantanea bidimensionale completa, come quello mostrato nell'immagine sopra, di una corrente in un determinato istante. Il grafene poggia interamente su un foglio diamantato che contiene molte vacanze di azoto. Questo metodo complementare genera un'immagine più sfocata ma consente loro di vedere l'intera corrente in una volta.
Non la tua corrente ordinaria
I ricercatori hanno utilizzato questi strumenti per studiare il flusso di correnti nel grafene in una situazione con una fisica particolarmente ricca. Nelle giuste condizioni, il grafene può avere una corrente composta non solo da elettroni ma da un numero uguale di cugini con carica positiva, comunemente chiamati buchi perché rappresentano un elettrone mancante. Nel grafene, i due tipi di cariche interagiscono fortemente e formano quello che è noto come fluido di Dirac. I ricercatori ritengono che la comprensione degli effetti delle interazioni sui comportamenti del fluido di Dirac potrebbe rivelare segreti di altri materiali con interazioni forti, come i superconduttori ad alta temperatura. In particolare, Walsworth e colleghi volevano determinare se la corrente nel fluido di Dirac scorre più come acqua e miele, o come una corrente elettrica in rame.
Configurazione del microscopio per catturare un'istantanea 2D di una corrente nel grafene tramite l'imaging del campo magnetico con vacanze di azoto nel diamante. La luce verde che eccita i NV è visibile nell'immagine. (colore di sfondo regolato per evidenziare la luce verde) Credito:Mason C. Marshall, Harvard e Università del Maryland
In un fluido, le singole particelle interagiscono molto, spingendosi e tirandosi a vicenda. Queste interazioni sono responsabili della formazione di vortici vorticosi e del trascinamento sulle cose che si muovono attraverso un fluido. Un fluido con questo tipo di interazioni è chiamato viscoso. I fluidi più densi come il miele o lo sciroppo che si trascinano davvero su se stessi sono più viscosi dei fluidi più sottili come l'acqua.
Ma anche l'acqua è abbastanza viscosa da scorrere in modo non uniforme in tubi lisci. L'acqua rallenta più ti avvicini al bordo del tubo con la corrente più veloce al centro del tubo. Questo tipo specifico di flusso irregolare è chiamato flusso di Poiseuille viscoso, intitolato a Jean Léonard Marie Poiseuille, il cui studio del sangue che viaggia attraverso minuscoli vasi sanguigni nelle rane lo ha ispirato a indagare su come i fluidi scorrono attraverso piccoli tubi.
In contrasto, gli elettroni in un conduttore normale, come i cavi nei computer e nei muri, non interagire molto. Sono molto più influenzati dall'ambiente all'interno del materiale conduttore, spesso impurità nel materiale in particolare. Sulla scala individuale, il loro movimento è più simile a quello di un profumo che si diffonde nell'aria che a quello dell'acqua che scorre lungo un tubo. Ogni elettrone per lo più fa le sue cose, rimbalzando da un'impurità all'altra come una molecola di profumo che rimbalza tra le molecole d'aria. Quindi le correnti elettriche tendono a diffondersi e a fluire in modo uniforme, fino ai bordi del conduttore.
Ma in certi materiali, come il grafene, i ricercatori si sono resi conto che le correnti elettriche possono comportarsi più come i fluidi. Richiede solo le giuste condizioni di interazioni forti e poche impurità per vedere gli equivalenti elettrici del flusso di Poiseuille, vortici e altri comportamenti fluidi.
"Non ci sono molti materiali in questo punto debole, " dice Ku. "Il grafene risulta essere un tale materiale. Quando si porta la maggior parte degli altri conduttori a temperature molto basse per ridurre le interazioni dell'elettrone con le impurità, o la superconduttività entra in gioco o le interazioni tra gli elettroni non sono abbastanza forti".
Mappatura delle correnti del grafene
Mentre la ricerca precedente indicava che gli elettroni possono fluire viscosamente nel grafene, non sono riusciti a farlo per un fluido Dirac in cui devono essere considerate le interazioni tra elettroni e lacune. In precedenza, i ricercatori non sono riusciti a ottenere un'immagine di una corrente del fluido di Dirac per confermare i dettagli come se fosse un flusso di Poiseuille. Ma i due nuovi metodi introdotti da Walsworth, Ku e i loro colleghi producono immagini che hanno rivelato che la corrente del fluido di Dirac diminuisce verso i bordi del grafene, come fa per l'acqua in un tubo. Hanno anche osservato il comportamento viscoso a temperatura ambiente; le prove di precedenti esperimenti per il flusso elettrico viscoso nel grafene erano limitate a temperature più fredde.
Il team crede che questa tecnica troverà molti usi, e Ku è interessato a continuare questa linea di ricerca e cercare di osservare nuovi comportamenti viscosi usando queste tecniche nella sua prossima posizione come assistente professore di fisica presso l'Università del Delaware. Oltre a fornire informazioni sulla fisica relativa al fluido di Dirac come i superconduttori ad alta temperatura, la tecnica può anche rivelare correnti esotiche in altri materiali e fornire nuove intuizioni su fenomeni come l'effetto Hall di spin quantistico e la superconduttività topologica. E man mano che i ricercatori comprendono meglio i nuovi comportamenti elettronici dei materiali, possono essere in grado di sviluppare anche altre applicazioni pratiche, come nuovi tipi di microelettronica.
"Sappiamo che ci sono molte applicazioni tecnologiche per cose che trasportano correnti elettriche, " dice Walsworth. "E quando trovi un nuovo fenomeno fisico, infine, le persone probabilmente scopriranno un modo per usarlo tecnologicamente. Vogliamo pensarci per la corrente viscosa nel grafene in futuro".
