מערבולות האלקטרונים הנסתרות של גרפן נחשפו באמצעות חישה קוונטית

חוקרים ב-ETH ציריך הראו לראשונה כיצד אלקטרונים יוצרים מערבולות בחומר בטמפרטורת החדר. הניסוי שלהם השתמש במיקרוסקופ חישה קוונטי ברזולוציה גבוהה במיוחד.

• ב גרפן, אלקטרונים מתנהגים כמו נוזל. זה יכול להוביל להיווצרות של מערבולות.
• מערבולות אלקטרונים כאלה נעשו כעת גלויות באמצעות חיישן שדה מגנטי קוונטי ברזולוציה מרחבית גבוהה.
• בדרך כלל, תופעות הובלה מתגלות בקלות רבה יותר בטמפרטורות נמוכות. הודות לחיישן הרגיש ביותר שלהם, חוקרי ETH הצליחו לצפות במערבולות אפילו בטמפרטורת החדר.

כאשר מוליך חשמלי רגיל – כמו חוט מתכת – מחובר לסוללה, האלקטרונים במוליך מואצים על ידי השדה החשמלי שנוצר על ידי הסוללה. בזמן תנועה, אלקטרונים מתנגשים לעתים קרובות באטומי טומאה או במקומות פנויים בסריג הגבישי של החוט, וממירים חלק מהאנרגיה התנועתית שלהם לתנודות סריג. האנרגיה שאבדה בתהליך זה מומרת לחום שניתן להרגיש, למשל, על ידי נגיעה בנורת ליבון.

בעוד התנגשויות עם זיהומי סריג קורות לעתים קרובות, התנגשויות בין אלקטרונים נדירות הרבה יותר. אולם המצב משתנה כאשר משתמשים בגרפן, שכבה אחת של אטומי פחמן המסודרים בסריג של חלת דבש, במקום בחוט ברזל או נחושת נפוץ. בגרפן, התנגשויות טומאה הן נדירות והתנגשויות בין אלקטרונים ממלאות את התפקיד המוביל. במקרה זה, האלקטרונים מתנהגים יותר כמו נוזל צמיג. לכן, תופעות זרימה ידועות כמו מערבולות אמורות להתרחש בשכבת הגרפן.

דיווח בכתב העת המדעי מַדָעחוקרים ב-ETH ציריך בקבוצת כריסטיאן דגן הצליחו כעת לזהות באופן ישיר מערבולות אלקטרונים בגרפן בפעם הראשונה, באמצעות חיישן שדה מגנטי ברזולוציה גבוהה.

מיקרוסקופ חישה קוונטי רגיש במיוחד

המערבולות נוצרו בדיסקים עגולים קטנים שדגן וחבריו לעבודה חיברו במהלך תהליך הייצור לרצועת גרפן מוליכה ברוחב של מיקרומטר אחד בלבד. לדיסקים היו קטרים ​​שונים בין 1.2 ל-3 מיקרומטר. חישובים תיאורטיים העלו כי מערבולות אלקטרונים צריכות להיווצר בדיסקות הקטנות יותר, אך לא בדיסקות הגדולות יותר.

כדי להפוך את המערבולות לגלויות מדדו החוקרים את השדות המגנטיים הזעירים שנוצרו על ידי האלקטרונים הזורמים בתוך הגרפן. למטרה זו, הם השתמשו בחיישן שדה מגנטי קוונטי המורכב ממה שנקרא מרכז חנקן ריק (NV) המוטבע בקצה מחט יהלום. בהיותו פגם אטומי, מרכז ה-NV מתנהג כמו עצם קוונטי שרמות האנרגיה שלו תלויות בשדה מגנטי חיצוני. באמצעות קרני לייזר ופולסים של מיקרוגל, ניתן להכין את המצבים הקוונטיים של המרכז בצורה כזו שיהיו רגישים מקסימלית לשדות מגנטיים. על ידי קריאת המצבים הקוונטיים בלייזר, החוקרים יכלו לקבוע את חוזקם של שדות אלה בצורה מדויקת מאוד.

"בגלל הממדים הזעירים של מחט היהלום והמרחק הקטן משכבת ​​הגרפן – רק בסביבות 70 ננומטר – הצלחנו להפוך את זרמי האלקטרונים לגלויים ברזולוציה של פחות ממאה ננומטר", אומר מריוס פאלם, לשעבר דוקטורנט בקבוצה של דגן. רזולוציה זו מספיקה כדי לראות את המערבולות.

כיוון זרימה הפוך

במדידותיהם הבחינו החוקרים בסימן אופייני למערבולות הצפויות בדיסקים הקטנים יותר: היפוך של כיוון הזרימה. בעוד בהובלת אלקטרונים רגילה (מפזרת), האלקטרונים ברצועה ובדיסק זורמים באותו כיוון, במקרה של מערבולת, כיוון הזרימה בתוך הדיסק מתהפך. כפי שנחזה על ידי החישובים, לא ניתן היה לראות מערבולות בדיסקים הגדולים יותר.

"בזכות החיישן הרגיש ביותר שלנו והרזולוציה המרחבית הגבוהה, אפילו לא היינו צריכים לקרר את הגרפן והצלחנו לבצע את הניסויים בטמפרטורת החדר", אומר פאלם. יתרה מכך, הוא ועמיתיו לא רק זיהו מערבולות אלקטרונים, אלא גם מערבולות שנוצרו על ידי נושאי חורים. על ידי הפעלת מתח חשמלי מתחת לגרפן, הם שינו את מספר האלקטרונים החופשיים באופן שזרימת הזרם לא הועברה עוד על ידי אלקטרונים, אלא על ידי אלקטרונים חסרים, המכונים גם חורים. רק בנקודת ניטרליות המטען, שבה יש ריכוז קטן ומאוזן של אלקטרונים וחורים כאחד, המערבולות נעלמו לחלוטין.

"כרגע, זיהוי מערבולות אלקטרונים הוא מחקר בסיסי, ועדיין יש הרבה שאלות פתוחות", אומר פאלם. לדוגמה, החוקרים עדיין צריכים להבין כיצד התנגשויות האלקטרונים עם גבולות הגרפן משפיעות על דפוס הזרימה, ואילו השפעות מתרחשות במבנים קטנים עוד יותר. שיטת הזיהוי החדשה בה השתמשו חוקרי ה-ETH מאפשרת גם לבחון מקרוב השפעות רבות אחרות של הובלת אלקטרונים אקזוטיים במבנים מזוסקופיים – תופעות המתרחשות בסקאלות אורך מכמה עשרות ננומטרים ועד כמה מיקרומטרים.