Elektrony v běžném vodiči se při pohybu srážejí s atomy nečistot nebo dírami v krystalové mřížce vodiče a část jejich pohybové energie se tak přeměňuje na vibrace mřížky (na teplo).
Zatímco ke srážkám s nečistotami v mřížce dochází často, srážky mezi samotnými pohybujícími se elektrony jsou mnohem vzácnější. Situace se však změní, když místo běžného železného nebo měděného drátu použijeme grafen. V grafenu jsou srážky s nečistotami vzácné a mnohem větší roli hrají srážky mezi samotnými elektrony; v tomto uspořádání se elektrony chovají spíše jako viskózní kapalina. Proto by se ve vrstvě grafenu měly vyskytovat i jevy popisované v hydrodynamice tekutin, včetně vírů. Vědci z ETH Curych nyní poprvé dokázali přímo detekovat elektronové víry v grafenu pomocí senzoru magnetického pole s vysokým rozlišením. Víry se vytvořily v malých kruhových discích, které autoři studie během výrobního procesu připevnili na vodivý grafenový proužek široký pouze jeden mikrometr. Disky měly různé průměry mezi 1,2 a 3 mikrometry. Teoretické výpočty naznačovaly, že elektronové víry by se měly tvořit v menších, ale ne ve větších discích.
Pro vizualizaci vírů vědci měřili malá magnetická pole vytvářená elektrony proudícími uvnitř grafenu. K tomuto účelu použili kvantový senzor magnetického pole sestávající z dusíkové vakance (NV) zabudované do špičky diamantové jehly. NV centrum je defekt v mřížce chovající se jako objekt, jehož energetické hladiny závisejí na vnějším magnetickém poli. Pomocí laserových paprsků a mikrovlnných pulzů lze připravit kvantové stavy centra tak, aby bylo maximálně citlivé na magnetické pole. Odečtením těchto kvantových stavů pomocí laseru mohli vědci velmi přesně určit sílu příslušných polí.
„Díky malým rozměrům diamantové jehly a malé vzdálenosti od vrstvy grafenu – jen asi 70 nanometrů – jsme byli schopni zviditelnit elektronové proudy s rozlišením menším než sto nanometrů,“ uvádí spoluautor práce Marius Palm ETH Curych. Toto rozlišení je pro pozorování vírů dostatečné. Při svých měřeních vědci pozorovali charakteristický znak očekávaných vírů v menších discích: obrácený směr proudění. Zatímco při normálním (difúzním) transportu elektronů proudí elektrony v pásu a disku stejným směrem, v případě víru je směr proudění uvnitř disku obrácený. A jak předpověděly výpočty, ve větších discích nebylo možné víry pozorovat. Navíc se podařilo zaznamenat nejenom víry tvořené elektrony, ale i dírami (ve smyslu kladně nabitých nosičů elektrického proudu). Připojením elektrického napětí zespodu grafenu šel změnit počet volných elektronů tak, že proud již nebyl přenášen elektrony, ale dírami. V bodě „nábojové neutrality“ víry zcela zmizely.
Marius L. Palm et al, Observation of current whirlpools in graphene at room temperature, Science (2024). DOI: 10.1126/science.adj2167
Zdroj: ETH Zurich / Phys.org