Suena como pura brujería: usar diamantes para observar el poder invisible que gira y fluye a través de canales cuidadosamente diseñados. Pero estos diamantes son una realidad. JQI Fellow Ronald Walsworth y el asociado postdoctoral del Centro de Tecnología Cuántica QTC Mark Ku, junto con colegas de variosotras instituciones, incluido el profesor Amir Yacoby y el becario posdoctoral Tony Zhou en Harvard, han desarrollado una forma de usar diamantes para ver los detalles evasivos de las corrientes eléctricas.
La nueva técnica ofrece a los investigadores un mapa del intrincado movimiento de la electricidad en el mundo microscópico. El equipo demostró el potencial de la técnica al revelar las corrientes eléctricas inusuales que fluyen en el grafeno, una capa de carbono de un solo átomo de espesor. El grafeno tienepropiedades eléctricas excepcionales, y la técnica podría ayudar a los investigadores a comprender mejor el grafeno y otros materiales y encontrar nuevos usos para ellos.
En un artículo publicado el 22 de julio en la revista Naturaleza , el equipo describe cómo sus sensores cuánticos basados en diamantes producen imágenes de corrientes en el grafeno. Sus resultados revelaron, por primera vez, detalles sobre cómo el grafeno a temperatura ambiente puede producir corrientes eléctricas que fluyen más como agua a través de tuberías que a través de la electricidadcables ordinarios ". La comprensión de los sistemas cuánticos que interactúan fuertemente, como las corrientes en nuestro experimento de grafeno, es un tema central en la física de la materia condensada", dice Ku, el autor principal del artículo. "En particular, los comportamientos colectivos de electrones que se asemejan a los de los fluidoscon fricción podría proporcionar una clave para explicar algunas de las propiedades desconcertantes de los superconductores de alta temperatura ".
No es tarea fácil vislumbrar la corriente dentro de un material. Después de todo, un cable con electricidad se ve idéntico a un cable muerto. Sin embargo, existe una diferencia invisible entre un cable que lleva corriente y uno que no tiene corriente eléctricapotencia: una carga en movimiento siempre genera un campo magnético, pero si desea ver los detalles finos de la corriente, debe observar el campo magnético correspondientemente, lo cual es un desafío. Si solicita una herramienta roma, como un imánbrújula, todos los detalles se eliminan y solo se mide el comportamiento promedio.
Walsworth, quien también es el Director del Centro de Tecnología Cuántica de la Universidad de Maryland, se especializa en mediciones ultra precisas de campos magnéticos. Su éxito radica en empuñar diamantes, o más específicamente imperfecciones cuánticas en diamantes artificiales.
El bruto en el diamante
"Los diamantes son literalmente moléculas de carbono alineadas de la manera más aburrida", dijo Michael, el ser inmortal en la comedia de situación de NBC "The Good Place". Pero la alineación ordenada de las moléculas de carbono no siempre es tan aburrida y perfecta.
Las imperfecciones pueden establecerse en diamantes y ser estabilizadas por la estructura ordenada circundante. Walsworth y su equipo se centran en imperfecciones llamadas vacantes de nitrógeno, que intercambian dos de los átomos de carbono vecinos por un átomo de nitrógeno y una vacante.
"La vacante de nitrógeno actúa como un átomo o un ion congelado en una red", dice Walsworth. "Y el diamante no tiene mucho efecto además de mantenerlo en su lugar convenientemente. Una vacante de nitrógeno en un diamante, muy similar aun átomo en el espacio libre, tiene propiedades mecánicas cuánticas, como los niveles de energía y el giro, y absorbe y emite luz como fotones individuales ".
Las vacantes de nitrógeno absorben la luz verde y luego la emiten como luz roja de baja energía; este fenómeno es similar a la fluorescencia de los átomos en los conos de tráfico que crean el color naranja extra brillante. La intensidad de la luz roja que esemitido depende de cómo la vacante de nitrógeno retiene la energía, que es sensible al campo magnético circundante.
Entonces, si los investigadores colocan una vacante de nitrógeno cerca de una fuente magnética y emiten luz verde sobre el diamante, pueden determinar el campo magnético analizando la luz producida. Dado que la relación entre las corrientes y los campos magnéticos se entiende bien, la información que recopilan ayuda a pintarUna imagen detallada de la corriente.
Para observar las corrientes en el grafeno, los investigadores utilizaron las vacantes de nitrógeno de dos maneras.
El primer método proporciona la vista más detallada. Los investigadores ejecutan un pequeño diamante que contiene una sola vacante de nitrógeno directamente a través de un canal conductor. Este proceso mide el campo magnético a lo largo de una línea estrecha a través de una corriente y revela cambios en la corriente a distancias de aproximadamente50 nanómetros los canales de grafeno que investigan tenían entre 1,000 y 1,500 nanómetros de ancho. Pero el método lleva mucho tiempo y es difícil mantener las mediciones alineadas para formar una imagen completa.
Su segundo enfoque produce una instantánea bidimensional completa, como la que se muestra en la imagen de arriba, de una corriente en un instante particular. El grafeno descansa completamente en una lámina de diamante que contiene muchas vacantes de nitrógeno. Este método complementario genera una imagen más difusapero les permite ver toda la corriente a la vez.
No es su corriente ordinaria
Los investigadores utilizaron estas herramientas para investigar el flujo de corrientes en el grafeno en una situación con una física particularmente rica. En las condiciones adecuadas, el grafeno puede tener una corriente que no solo está formada por electrones sino por un número igual de carga positivaprimos, comúnmente llamados agujeros porque representan un electrón perdido. En el grafeno, los dos tipos de cargas interactúan fuertemente y forman lo que se conoce como un fluido de Dirac. Los investigadores creen que comprender los efectos de las interacciones en los comportamientos del fluido de Dirac podría revelarsecretos de otros materiales con fuertes interacciones, como los superconductores de alta temperatura. En particular, Walsworth y sus colegas querían determinar si la corriente en el fluido Dirac fluye más como el agua y la miel, o como una corriente eléctrica en cobre.
En un fluido, las partículas individuales interactúan mucho, empujándose y empujándose unas sobre otras. Estas interacciones son responsables de las formaciones de vórtices giratorios y el arrastre de las cosas que se mueven a través de un fluido. Un fluido con este tipo de interacciones se llamaviscosos: los fluidos más espesos como la miel o el jarabe que realmente se arrastran sobre sí mismos son más viscosos que los fluidos más delgados como el agua.
Pero incluso el agua es lo suficientemente viscosa como para fluir de manera desigual en tuberías lisas. El agua se ralentiza cuanto más se acerca al borde de la tubería con la corriente más rápida en el centro de la tubería. Este tipo específico de flujo desigual se llama Poiseuille viscosoflujo, llamado así por Jean Léonard Marie Poiseuille, cuyo estudio de la sangre que viaja a través de pequeños vasos sanguíneos en ranas lo inspiró a investigar cómo fluyen los fluidos a través de pequeños tubos.
En contraste, los electrones en un conductor normal, como los cables en computadoras y paredes, no interactúan mucho. Están mucho más influenciados por el ambiente dentro del material conductor, a menudo impurezas en el material en particular.A escala individual, su movimiento es más parecido al del perfume que flota en el aire que al agua que baja por una tubería. Cada electrón hace lo suyo, rebotando de una impureza a la siguiente como una molécula de perfume que rebota entre las moléculas de aire. Por lo tanto, las corrientes eléctricas tiendenpara extenderse y fluir de manera uniforme, hasta los bordes del conductor.
Pero en ciertos materiales, como el grafeno, los investigadores se dieron cuenta de que las corrientes eléctricas pueden comportarse más como fluidos. Se requieren las condiciones adecuadas de interacciones fuertes y pocas impurezas para ver los equivalentes eléctricos del flujo de Poiseuille, vórtices y otros comportamientos de fluidos.
"No hay muchos materiales en este punto dulce", dice Ku. "El grafeno resulta ser un material así. Cuando llevas la mayoría de los otros conductores a muy baja temperatura para reducir las interacciones del electrón con las impurezas, la superconductividad se activa olas interacciones entre electrones simplemente no son lo suficientemente fuertes "
Cartografía de las corrientes de grafeno
Si bien la investigación anterior indicó que los electrones pueden fluir de manera viscosa en el grafeno, no pudieron hacerlo para un fluido Dirac donde se deben considerar las interacciones entre electrones y agujeros. Anteriormente, los investigadores no podían obtener una imagen de una corriente de fluido Dirac paraconfirman detalles como si fuera un flujo de Poiseuille, pero los dos nuevos métodos introducidos por Walsworth, Ku y sus colegas producen imágenes que revelan que la corriente del fluido Dirac disminuye hacia los bordes del grafeno, como ocurre con el agua en una tubería.también observó el comportamiento viscoso a temperatura ambiente; la evidencia de experimentos previos para flujo eléctrico viscoso en grafeno se restringió a temperaturas más frías.
El equipo cree que esta técnica encontrará muchos usos, y Ku está interesado en continuar esta línea de investigación y tratar de observar nuevos comportamientos viscosos utilizando estas técnicas en su próximo puesto como profesor asistente de física en la Universidad de Delaware. AdemásPara proporcionar información sobre la física relacionada con el fluido Dirac, como los superconductores de alta temperatura, la técnica también puede revelar corrientes exóticas en otros materiales y proporcionar nuevas ideas sobre fenómenos como el efecto Hall de espín cuántico y la superconductividad topológica. Y a medida que los investigadores entiendan mejor los nuevos comportamientos electrónicos demateriales, también pueden desarrollar otras aplicaciones prácticas, como nuevos tipos de microelectrónica.
"Sabemos que hay muchas aplicaciones tecnológicas para cosas que transportan corrientes eléctricas", dice Walsworth. "Y cuando encuentre un nuevo fenómeno físico, eventualmente, las personas probablemente encontrarán alguna forma de usarlo tecnológicamente. Queremospiense en eso para la corriente viscosa del grafeno en el futuro "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Maryland . Original escrito por Bailey Bedford. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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