Предсказаны за долго до этого открытия.
Автор: Оливер Морш, ETH Цюрих*
**Вихри электронов в графене обнаружены**
Вращающиеся структуры на поверхности пленок.
На поверхности образуется волновая структура, похожая на вихрь, но таковым не являющаяся, так как нет переноса масс. То что мы видим это скачки электромагнитной плотности - силовые линии если угодно.
Когда обычный электрический проводник - такой как металлический провод - подключается к батарее, электроны в проводнике ускоряются электрическим полем, созданным батареей. При движении электроны часто сталкиваются с атомами примеси или дефектами в кристаллической решетке проводника и преобразуют часть своей энергии в колебания решетки. Потерянная энергия в этом процессе превращается в тепло, которое можно почувствовать, например, при касании накаливаемой лампочки.
Хотя столкновения с примесями в решетке происходят часто, столкновения между электронами намного реже. Однако ситуация меняется, когда вместо обычной проволоки из железа или меди используется графен, состоящий из одного слоя атомов углерода, расположенных в сотовом порядке.
В графене столкновения с примесями редки, а столкновения между электронами играют ведущую роль. В этом случае электроны ведут себя более как вязкая жидкость. Поэтому в графеновом слое должны возникать хорошо известные явления потока, такие как вихри.
Сообщая в журнале Science, исследователи из ETH Цюриха в группе Кристиана Дегена теперь смогли впервые непосредственно обнаружить вихри электронов в графене, используя высокоразрешающий магнитный датчик поля.
**Высокочувствительный квантовый микроскоп для измерения поля**
Вихри образовались в маленьких круглых дисках, которые Деген и его сотрудники прикрепили во время процесса изготовления к проводящей полоске графена всего в один микрометр шириной. Диски имели разные диаметры от 1,2 до 3 микрометров. Теоретические расчеты предполагали, что вихри электронов должны образовываться в меньших, но не в больших дисках.
Чтобы сделать вихри видимыми, исследователи измеряли маленькие магнитные поля, создаваемые электронами, протекающими внутри графена. Для этой цели они использовали квантовый магнитный датчик поля, состоящий из так называемого азот-дефектного (NV) центра, встроенного в кончик алмазной иглы.
Будучи 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 могут быть подготовлены таким образом, чтобы быть максимально чувствительными к магнитным полям. Читая квантовые состояния с помощью лазера, исследователи могли очень точно определить силу этих полей.
"Благодаря крошечным размерам алмазной иглы и небольшому расстоянию от слоя графена - всего около 70 нанометров - мы смогли сделать ток электронов видимым с разрешением менее ста нанометров", - говорит Мариус Пальм, бывший аспирант в группе Дегена. Это разрешение достаточно для наблюдения вихрей.
Инвертированное направление потока
В своих измерениях исследователи наблюдали характерный признак ожидаемых вихрей в меньших дисках: инверсию направления потока. В обычном (диффузионном) транспорте электронов электроны в полосе и диске течут в одном направлении, а в случае вихря направление потока внутри диска инвертируется. Как предсказывали расчеты, в больших дисках не было обнаружено вихрей.
"Благодаря нашему чрезвычайно чувствительному сенсору и высокому пространственному разрешению, нам даже не пришлось охлаждать графен, и мы смогли провести эксперименты при комнатной температуре", - говорит Пальм. Более того, он и его коллеги обнаружили не только вихри электронов, но и вихри, образованные носителями заряда "дырками".
Применяя электрическое напряжение снизу графена, они изменяли количество свободных электронов таким образом, что ток больше не переносился электронами, а скорее, отсутствующими электронами, также называемыми дырками. Только в точке нейтральности заряда, где существует небольшая и сбалансированная концентрация как электронов, так и дырок, вихри полностью исчезали.
"В настоящий момент обнаружение вихрей электронов - это базовые исследования, и все еще остается много открытых вопросов", - говорит Пальм. Например, исследователям все еще предстоит выяснить, как столкновения электронов с границами графена влияют на узор потока и какие эффекты происходят в еще более маленьких структурах.
Новый метод обнаружения, использованный исследователями ETH, также позволяет более пристально рассмотреть множество других экзотических эффектов переноса электронов в мезоскопических структурах - явления, которые происходят на масштабах длины от нескольких десятков нанометров до нескольких микрометров.