Suena como pura hechicería:usar diamantes para observar el poder invisible girando y fluyendo a través de canales cuidadosamente elaborados. Pero estos diamantes son una realidad. Ronald Walsworth, becario de JQI y Mark Ku, asociado postdoctoral del Quantum Technology Center (QTC), junto con colegas de varias otras instituciones, incluyendo al profesor Amir Yacoby y al becario postdoctoral Tony Zhou en Harvard, han desarrollado una forma de utilizar diamantes para ver los elusivos detalles 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 inusuales corrientes eléctricas que fluyen en el grafeno. una capa de carbono de un solo átomo de espesor. El grafeno tiene propiedades 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 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 como electricidad a través de cables ordinarios ". Comprender los sistemas cuánticos que interactúan fuertemente, como las corrientes de 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 los electrones que se asemejan a los de los fluidos con fricción podrían proporcionar una clave para explicar algunas de las desconcertantes propiedades de los superconductores de alta temperatura ".

No es tarea fácil vislumbrar la corriente dentro de un material. Después de todo, un cable vivo con electricidad parece idéntico a un cable muerto. Sin embargo, Existe una diferencia invisible entre un cable portador de corriente y uno que no lleva energía eléctrica:una carga en movimiento siempre genera un campo magnético. Pero si desea ver los detalles finos de la corriente, necesita una mirada correspondientemente cercana al campo magnético, que es un desafío. Si solicita desafilar una herramienta, como una brújula magnética, todos los detalles desaparecen 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 ultraprecisas de campos magnéticos. Su éxito radica en blandir diamantes, o más específicamente imperfecciones cuánticas en diamantes artificiales.

El áspero 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 NBC "The Good Place". Pero la alineación ordenada de las moléculas de carbono no siempre es tan aburrida y perfecta.

Las imperfecciones pueden hacer su hogar en diamantes y ser estabilizadas por el entorno, estructura ordenada. Walsworth y su equipo se centran en las 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 ión congelado en una red, "dice Walsworth." Y el diamante no tiene mucho efecto además de mantenerlo convenientemente en su lugar. Una vacante de nitrógeno en un diamante como un átomo en el espacio libre, tiene propiedades de la mecánica cuántica, como niveles de energía y giro, y absorbe y emite luz como fotones individuales ".

Las vacantes de nitrógeno absorben la luz verde, y luego emitirlo como luz roja de menor 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 se emite 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 e iluminan el diamante con luz verde, pueden determinar el campo magnético analizando la luz producida. Dado que se comprende bien la relación entre corrientes y campos magnéticos, la información que recopilan ayuda a pintar una imagen detallada de la corriente.

Para echar un vistazo a las corrientes de grafeno, los investigadores utilizaron las vacantes de nitrógeno de dos formas.

El primer método proporciona la vista más detallada. Los investigadores colocan un diamante diminuto 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 aproximadamente 50 nanómetros (los canales de grafeno que investigaron fueron aproximadamente 1, 000 a 1, 500 nanómetros de ancho). Pero el método lleva mucho tiempo, y es un desafío mantener las medidas alineadas para formar una imagen completa.

Su segundo enfoque produce una instantánea bidimensional completa, como el que se muestra en la imagen de arriba, de una corriente en un instante particular. El grafeno descansa completamente sobre una hoja de diamante que contiene muchas vacantes de nitrógeno. Este método complementario genera una imagen más borrosa pero les permite ver toda la corriente a la vez.

No es tu 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 hecha de electrones, sino de un número igual de primos cargados positivamente, comúnmente llamados huecos porque representan un electrón faltante. En grafeno, los dos tipos de cargas interactúan fuertemente y forman lo que se conoce como fluido de Dirac. Los investigadores creen que comprender los efectos de las interacciones en los comportamientos del fluido de Dirac podría revelar secretos de otros materiales con interacciones fuertes. como superconductores de alta temperatura. En particular, Walsworth y sus colegas querían determinar si la corriente en el fluido de Dirac fluye más como agua y miel, o como una corriente eléctrica en cobre.

En un fluido las partículas individuales interactúan mucho, empujándose y tirando unas de otras. Estas interacciones son responsables de la formación de vórtices giratorios y del arrastre de las cosas que se mueven a través de un fluido. Un fluido con este tipo de interacciones se llama viscoso. 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 te acercas al borde de la tubería con la corriente más rápida en el centro de la tubería. Este tipo específico de flujo desigual se denomina flujo Poiseuille viscoso, nombrado en honor a 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.

A diferencia de, los electrones en un conductor normal, como los cables de las computadoras y las paredes, no interactúes mucho. Están mucho más influenciados por el entorno dentro del material conductor, a menudo impurezas en el material en particular. A escala individual, su movimiento se parece más al de un perfume flotando en el aire que al del agua corriendo por una tubería. Cada electrón hace principalmente lo suyo, rebotando de una impureza a la siguiente como una molécula de perfume que rebota entre las moléculas de aire. Entonces, las corrientes eléctricas tienden a extenderse y fluir uniformemente, todo el camino 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 fluidos.

"No hay muchos materiales en este punto óptimo, "dice Ku." El grafeno resulta ser un material así. Cuando lleva a la mayoría de los otros conductores a temperaturas muy bajas para reducir las interacciones del electrón con las impurezas, o se activa la superconductividad o las interacciones entre los electrones simplemente no son lo suficientemente fuertes ".

Mapeo de las corrientes de grafeno

Si bien investigaciones anteriores indicaron que los electrones pueden fluir viscosamente en el grafeno, no lo hicieron para un fluido de Dirac en el que se deben considerar las interacciones entre los electrones y los huecos. Previamente, los investigadores no pudieron obtener una imagen de una corriente de fluido de Dirac para confirmar detalles como si fuera un flujo de Poiseuille. Pero los dos nuevos métodos introducidos por Walsworth, Ku y sus colegas producen imágenes que revelaron que la corriente del fluido de Dirac disminuye hacia los bordes del grafeno, como ocurre con el agua en una tubería. También observaron el comportamiento viscoso a temperatura ambiente; La evidencia de experimentos previos del flujo eléctrico viscoso en el 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. Además de proporcionar información sobre la física relacionada con el fluido de Dirac, como los superconductores de alta temperatura, la técnica también puede revelar corrientes exóticas en otros materiales y proporcionar nuevos conocimientos sobre fenómenos como el efecto Hall de espín cuántico y la superconductividad topológica. Y a medida que los investigadores comprendan mejor los nuevos comportamientos electrónicos de los materiales, 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 encuentras un nuevo fenómeno físico, finalmente, la gente probablemente encontrará alguna forma de utilizarlo tecnológicamente. Queremos pensar en eso para la corriente viscosa del grafeno en el futuro ".