Les diamants éclairent les courants cachés du graphène – Technoguide

Cela ressemble à de la pure sorcellerie: utiliser des diamants pour observer le pouvoir invisible tourbillonnant et circulant à travers des canaux soigneusement conçus. Mais ces diamants sont une réalité. Le boursier JQI Ronald Walsworth et l’associé postdoctoral du Quantum Technology Center (QTC) Mark Ku, ainsi que des collègues de plusieurs autres institutions, dont le professeur Amir Yacoby et le boursier postdoctoral Tony Zhou à Harvard, ont développé un moyen d’utiliser les diamants pour voir les détails insaisissables de l’électricité. courants.

La nouvelle technique donne aux chercheurs une carte du mouvement complexe de l’électricité dans le monde microscopique. L’équipe a démontré le potentiel de la technique en révélant les courants électriques inhabituels qui circulent dans le graphène, une couche de carbone d’un seul atome d’épaisseur. Le graphène possède des propriétés électriques exceptionnelles, et la technique pourrait aider les chercheurs à mieux comprendre le graphène et d’autres matériaux et à leur trouver de nouvelles utilisations.

Dans un article publié le 22 juillet dans la revue Nature, l’équipe décrit comment leurs capteurs quantiques à base de diamant produisent des images de courants dans le graphène. Leurs résultats ont révélé, pour la première fois, des détails sur la façon dont le graphène à température ambiante peut produire des courants électriques qui circulent plus comme de l’eau dans des tuyaux que de l’électricité à travers des fils ordinaires. «Comprendre les systèmes quantiques en forte interaction, comme les courants dans notre expérience sur le graphène, est un sujet central de la physique de la matière condensée», explique Ku, l’auteur principal de l’article. “En particulier, les comportements collectifs d’électrons ressemblant à ceux des fluides avec frottement pourraient fournir une clé pour expliquer certaines des propriétés déroutantes des supraconducteurs à haute température.”

Il n’est pas facile d’avoir un aperçu du courant à l’intérieur d’un matériau. Après tout, un fil alimenté en électricité ressemble à un fil mort. Cependant, il existe une différence invisible entre un fil porteur de courant et un fil sans énergie électrique: une charge en mouvement génère toujours un champ magnétique. Mais si vous voulez voir les petits détails du courant, vous avez besoin d’un examen attentif du champ magnétique, ce qui est un défi. Si vous appliquez pour émousser un outil, comme une boussole magnétique, tous les détails sont emportés et vous mesurez simplement le comportement moyen.

Walsworth, qui est également directeur du centre de technologie quantique de l’Université du Maryland, se spécialise dans les mesures ultra-précises des champs magnétiques. Son succès réside dans le maniement des diamants, ou plus précisément des imperfections quantiques dans les diamants artificiels.

Le rugueux dans le diamant

«Les diamants sont littéralement des molécules de carbone alignées de la manière la plus ennuyeuse», a déclaré Michael, l’immortel dans la sitcom NBC «The Good Place». Mais l’alignement ordonné des molécules de carbone n’est pas toujours aussi ennuyeux et parfait.

Les imperfections peuvent s’installer dans les diamants et être stabilisées par la structure ordonnée environnante. Walsworth et son équipe se concentrent sur les imperfections appelées lacunes d’azote, qui échangent deux des atomes de carbone voisins contre un atome d’azote et une vacance.

«La lacune d’azote agit comme un atome ou un ion congelé dans un réseau», explique Walsworth. “Et le diamant n’a pas beaucoup d’effet en plus de le maintenir commodément en place. Un manque d’azote dans un diamant, tout comme un atome dans l’espace libre, a des propriétés de mécanique quantique, comme les niveaux d’énergie et le spin, et il absorbe et émet la lumière sous forme de photons individuels. “

Les lacunes d’azote absorbent la lumière verte, puis l’émettent sous forme de lumière rouge à faible énergie; ce phénomène est similaire à la fluorescence des atomes dans les cônes de signalisation qui créent la couleur orange extra-brillante. L’intensité de la lumière rouge émise dépend de la façon dont le vide d’azote retient l’énergie, qui est sensible au champ magnétique environnant.

Ainsi, si les chercheurs placent un vide d’azote près d’une source magnétique et émettent une lumière verte sur le diamant, ils peuvent déterminer le champ magnétique en analysant la lumière produite. Puisque la relation entre les courants et les champs magnétiques est bien comprise, les informations qu’ils collectent aident à brosser une image détaillée du courant.

Pour avoir un aperçu des courants dans le graphène, les chercheurs ont utilisé les lacunes d’azote de deux manières.

La première méthode fournit la vue la plus détaillée. Les chercheurs exécutent un minuscule diamant contenant une seule absence d’azote directement à travers un canal conducteur. Ce processus mesure le champ magnétique le long d’une ligne étroite à travers un courant et révèle des changements dans le courant sur des distances d’environ 50 nanomètres (les canaux de graphène qu’ils étudient avaient une largeur d’environ 1 000 à 1 500 nanomètres). Mais la méthode prend du temps et il est difficile de garder les mesures alignées pour former une image complète.

Leur deuxième approche produit un instantané complet en deux dimensions, comme celui montré dans l’image ci-dessus, d’un courant à un instant particulier. Le graphène repose entièrement sur une feuille de diamant qui contient de nombreuses lacunes d’azote. Cette méthode complémentaire génère une image plus floue mais leur permet de voir tout le courant à la fois.

Pas votre courant ordinaire

Les chercheurs ont utilisé ces outils pour étudier l’écoulement des courants dans le graphène dans une situation de physique particulièrement riche. Dans les bonnes conditions, le graphène peut avoir un courant qui n’est pas seulement constitué d’électrons, mais d’un nombre égal de cousins ​​chargés positivement – communément appelés trous car ils représentent un électron manquant. Dans le graphène, les deux types de charges interagissent fortement et forment ce que l’on appelle un fluide Dirac. Les chercheurs pensent que la compréhension des effets des interactions sur les comportements du fluide Dirac pourrait révéler les secrets d’autres matériaux à fortes interactions, comme les supraconducteurs à haute température. En particulier, Walsworth et ses collègues ont voulu déterminer si le courant dans le fluide Dirac circule plus comme de l’eau et du miel, ou comme un courant électrique dans le cuivre.

Dans un fluide, les particules individuelles interagissent beaucoup – se poussant et se tirant l’une sur l’autre. Ces interactions sont responsables des formations de tourbillons tourbillonnants et de la traînée sur les choses se déplaçant à travers un fluide. Un fluide avec ce type d’interactions est appelé visqueux. Les liquides plus épais comme le miel ou le sirop qui traînent vraiment sur eux-mêmes sont plus visqueux que les liquides plus fins comme l’eau.

Mais même l’eau est suffisamment visqueuse pour s’écouler de manière inégale dans les tuyaux lisses. L’eau ralentit au fur et à mesure que vous vous rapprochez du bord du tuyau avec le courant le plus rapide au centre du tuyau. Ce type spécifique d’écoulement irrégulier est appelé écoulement visqueux de Poiseuille, du nom de Jean Léonard Marie Poiseuille, dont l’étude du sang voyageant à travers de minuscules vaisseaux sanguins chez les grenouilles l’a inspiré à étudier comment les fluides s’écoulent dans de petits tubes.

En revanche, les électrons d’un conducteur normal, comme les fils d’ordinateurs et de murs, n’interagissent pas beaucoup. Ils sont beaucoup plus influencés par l’environnement dans le matériau conducteur – souvent des impuretés dans le matériau en particulier. À l’échelle individuelle, leur mouvement ressemble plus à celui d’un parfum flottant dans l’air qu’à de l’eau coulant dans un tuyau. Chaque électron fait principalement sa propre chose, rebondissant d’une impureté à l’autre comme une molécule de parfum rebondissant entre des molécules d’air. Les courants électriques ont donc tendance à se répandre et à circuler uniformément, jusqu’aux bords du conducteur.

Mais dans certains matériaux, comme le graphène, les chercheurs ont réalisé que les courants électriques peuvent se comporter davantage comme des fluides. Il faut juste les bonnes conditions d’interactions fortes et peu d’impuretés pour voir les équivalents électriques de l’écoulement de Poiseuille, des tourbillons et autres comportements des fluides.

«Il n’y a pas beaucoup de matériaux dans ce sweet spot», dit Ku. “Le graphène s’avère être un tel matériau. Lorsque vous portez la plupart des autres conducteurs à très basse température pour réduire les interactions de l’électron avec les impuretés, soit la supraconductivité entre en jeu, soit les interactions entre électrons ne sont tout simplement pas assez fortes.”

Cartographie des courants de graphène

Alors que des recherches antérieures ont indiqué que les électrons peuvent s’écouler visqueusement dans le graphène, ils ne l’ont pas fait pour un fluide Dirac où les interactions entre électrons et trous doivent être prises en compte. Auparavant, les chercheurs ne pouvaient pas obtenir une image d’un courant de fluide Dirac pour confirmer des détails comme s’il s’agissait d’un flux de Poiseuille. Mais les deux nouvelles méthodes introduites par Walsworth, Ku et leurs collègues produisent des images qui ont révélé que le courant de fluide Dirac diminue vers les bords du graphène, comme il le fait pour l’eau dans une conduite. Ils ont également observé le comportement visqueux à température ambiante; les preuves provenant d’expériences antérieures pour l’écoulement électrique visqueux dans le graphène étaient limitées aux températures plus froides.

L’équipe pense que cette technique trouvera de nombreuses utilisations, et Ku est intéressé à poursuivre cette ligne de recherche et à essayer d’observer de nouveaux comportements visqueux en utilisant ces techniques dans son prochain poste de professeur adjoint de physique à l’Université du Delaware. En plus de fournir un aperçu de la physique liée au fluide Dirac comme les supraconducteurs à haute température, la technique peut également révéler des courants exotiques dans d’autres matériaux et fournir de nouvelles informations sur des phénomènes tels que l’effet Hall de spin quantique et la supraconductivité topologique. Et à mesure que les chercheurs comprennent mieux les nouveaux comportements électroniques des matériaux, ils pourront peut-être également développer d’autres applications pratiques, comme de nouveaux types de microélectronique.

«Nous savons qu’il existe de nombreuses applications technologiques pour les objets qui transportent des courants électriques», déclare Walsworth. “Et lorsque vous découvrirez un nouveau phénomène physique, les gens finiront probablement par trouver un moyen de l’utiliser technologiquement. Nous voulons penser à cela pour le courant visqueux dans le graphène à l’avenir.”

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