這聽起來像是純巫術(shù)：使用鉆石觀察無形的動力在精心制作的通道中回旋和流動。但是這些鉆石是現(xiàn)實的。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)動的地圖。該團(tuán)隊通過揭示在石墨烯中流動的異常電流來展示該技術(shù)的潛力，石墨烯是一個只有一個原子厚的碳層。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)生流過水的電流的細(xì)節(jié)，而不是通過普通電線流過電流的細(xì)節(jié)。凝聚態(tài)物理的核心課題。”論文的主要作者Ku說。“特別是，電子的集體行為類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的區(qū)別：運(yùn)動的電荷始終會產(chǎn)生磁場。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，這是一個挑戰(zhàn)。如果您申請鈍化工具(例如電磁羅盤)，則所有細(xì)節(jié)都會被洗掉，而您只需測量平均性能即可。

同時還是馬里蘭大學(xué)量子技術(shù)中心主任的沃爾斯沃思(Walsworth)專門從事磁場的超精密測量。他的成功在于揮舞鉆石，或更具體地說是人造鉆石的量子缺陷。

鉆石原石

邁克爾說：“鉆石實際上是以最無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聊和完美。

瑕疵可在鉆石中形成家，并通過周圍有序的結(jié)構(gòu)使其穩(wěn)定。Walsworth和他的團(tuán)隊專注于稱為氮空位的缺陷，該缺陷將相鄰的兩個碳原子換成氮原子和空位。

沃爾斯沃思說：“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)，例如能級和自旋，它吸收并發(fā)射像單個光子一樣發(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，該能量對周圍的磁場敏感。

因此，如果研究人員將氮空位放在磁場附近，并在鉆石上發(fā)出綠光，他們就可以通過分析產(chǎn)生的光來確定磁場。由于電流與磁場之間的關(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。研究人員在一個導(dǎo)電通道上直接運(yùn)行一個包含單個氮空位的微小鉆石。該過程沿電流的細(xì)線測量磁場，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，并且使測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)方法會產(chǎn)生模糊的圖像，但允許他們立即查看整個電流。

不是你的普通電流

研究人員使用這些工具來研究物理條件特別豐富的情況下石墨烯中的電流流動。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，因為它們代表缺失的電子)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，了解相互作用對狄拉克流體行為的影響可能會揭示出具有強(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，還是更像銅中的電流那樣流動。

在流體中，各個粒子相互作用很多，相互推動和拉動。這些相互作用是造成漩渦渦旋的原因，也是對在流體中流動的物體產(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比粘稠的水粘稠得多。

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

相比之下，正常導(dǎo)體中的電子(如計算機(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)。從個體的角度來看，它們的運(yùn)動更像是香水在空中飄動的動作，而不是水從管道中沖下來。每個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，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：“在這個最佳位置上沒有很多材料。” “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，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，但對于Dirac流體卻無法做到這一點，在Dirac流體中必須考慮電子與空穴之間的相互作用。以前，研究人員無法獲得狄拉克流體流的圖像來確認(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。以前的實驗證據(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)助理教授的下一個職位上使用這些技術(shù)觀察新的粘性行為。除了提供對與狄拉克流體有關(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，他們也許還能夠開發(fā)其他實際應(yīng)用，例如新型微電子。

沃爾斯沃思說：“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，最終，人們可能會想出一些技術(shù)上使用它的方式。我們希望將來為石墨烯中的粘性電流考慮這一點。”