Elektroner som strömmar i grafen som vatten genom ett rör

Forskare vid Harvard University och University of Maryland (bl.a. forskargrupperna Ronald L. Walsworth och Amir Yacoby) har alldeles nyligen mätt och avbildat elektriska strömmar i en tunn kanal eller skikt av grafen, dvs. ett enda lager av kolatomer, vid rumstemperatur. Det visar sig att de elektriska strömmarna kan bete sig likt en inkompressibel viskös vätska, t.ex. vatten, som strömmar genom ett rör istället för som strömmarna i en vanlig metallisk ledare. Starkt växelverkande elektroner kan beskrivas att vara i ett hydrodynamiskt område. Strömtätheten är mindre i kanterna än i mitten av kanalen, precis som för den paraboliska hastighetsfördelningen när vätska strömmar genom ett rör. Forskningen, som publicerades i somras i tidskriften Nature, bidrar till att förstå och tillämpa starkt växelverkande kvantmateria till exempel för högtemperatursupraledare och tillämpningar baserade på 2D-material.

Sedan några år tillbaka har olika forskargrupper påvisat hydrodynamik hos elektriska strömmar i smala kanaler av superrena material när temperaturen inte är allt för låg. Till exempel använde forskargrupper vid Weizmann Institute of Science och Manchester University för knappt ett par år sedan en avancerad mätuppställning baserad på bl.a. svepsondmikroskopi (SPM). Strömmarna mättes vid temperaturen 75 kelvin längs en 4,7 μm bred kanal av grafen, mellan två skikt av hexagonal bornitrid, och visade sig vara i det hydrodynamiska området1. Forskargrupperna från Harvard och Maryland har i den senaste forskningen2 studerat liknande system. Det nya är att de använt kväve-vakans (NV) defekten i diamant som sensor i en nanomagnetometer och lyckats mäta och visualisera hydrodynamisk strömning i grafen också vid rumstemperatur och vid den sk. punkten för laddningsneutralitet. Ett NV-center uppstår då två kolatomer i diamant ersätts av en kväveatom och en vakans. Kvävevakanscenter har använts i två olika mätuppställningar: (1) baserat på SPM metoder där ett enda NV-center i diamant förflyttas med hög precision över en 1 μm bred kanal av grafen; (2) mätningar på strukturen med grafen ovanpå ett diamantskikt med många NV-center. Figuren visar en tvådimensionell ögonblicksbild av strömtätheten som utvärderats från mätningarna.

Figur.    Ögonblicksbild av strömtätheten  i en kanal av grafen mellan lager av bornitrid. Kanalens bredd är ca. 1 µm. Med tillstånd (courtesy): Ronald L Walsworth och Amir Yacobi.

Det hävdas att de nya mätmetoderna baserade på NV-center kan användas för att studera många andra högkvalitativa material i vilka strömmarna kan beskrivas med viskös strömning. Kanske kan de också hjälpa i utvecklingen av ny mikroelektronik?

De fascinerande mätningarna och resultaten finns i artikeln ” Imaging viscous flow of the Dirac fluid in graphene”, som är publiserad i Nature tillsammans med ett 61 sidor långt supplement, hittas på: https://www.nature.com/articles/s41586-020-2507-2.

Referenser:

  1. Sulpizio, J. A. et al. Visualizing Poiseuille flow of hydrodynamic electrons. Nature 576, 75 (2019).
  2. Ku, M. J. H. et al. Imaging viscous flow of the Dirac fluid in graphene. Nature 583, 537 (2020).

/Nils Almqvist, Styrelseledamot