Er zijn elektronenwervelingen ontdekt in grafeen

Wanneer een gewone elektrische geleider – zoals een metaaldraad – op een batterij wordt aangesloten, worden de elektronen in de geleider versneld door het elektrische veld dat door de batterij wordt gegenereerd. Terwijl ze bewegen, komen elektronen vaak in botsing met onzuiverheidsatomen of gaten in het kristalrooster van de draad, waardoor een deel van hun kinetische energie wordt omgezet in roostertrillingen. De energie die daarbij verloren gaat, wordt omgezet in warmte die bijvoorbeeld voelbaar is door het aanraken van een gloeilamp.

Hoewel botsingen met roosteronzuiverheden vaak voorkomen, zijn botsingen tussen elektronen veel zeldzamer. De situatie verandert echter wanneer grafeen, een enkele laag koolstofatomen gerangschikt in een honingraatrooster, wordt gebruikt in plaats van een gewone ijzer- of koperdraad. In grafeen zijn botsingen met onzuiverheden zeldzaam en spelen botsingen tussen elektronen de hoofdrol. In dit geval gedragen de elektronen zich als een stroperige vloeistof. Daarom zouden bekende stromingsverschijnselen zoals wervels in de grafeenlaag moeten optreden.

In een rapport gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Science konden onderzoekers van ETH Zürich in de groep van Christian Degen voor het eerst elektronenwervelingen in grafeen rechtstreeks detecteren met behulp van een magnetische veldsensor met hoge resolutie.

Kwantumsensormicroscoop met hoge gevoeligheid

De wervels vormden zich tot kleine ronde schijven, die Degen en zijn collega's tijdens het productieproces vastmaakten aan een geleidend grafeenlint van slechts een micrometer breed. De schijven hadden verschillende diameters variërend van 1,2 tot 3 μm. Theoretische berekeningen geven aan dat elektronenwervelingen zich zouden moeten vormen in de kleinere schijven, maar niet in de grotere schijven.

Om de wervels zichtbaar te maken, maten de onderzoekers kleine magnetische velden die werden geproduceerd door elektronen die in het grafeen stroomden. Hiervoor gebruikten ze een kwantummagnetische veldsensor bestaande uit een zogenaamd stikstofvacancycentrum (NV) geïntegreerd in de punt van een diamantnaald. Omdat het een atoomdefect is, gedraagt ​​het NV-centrum zich als een kwantumobject waarvan de energieniveaus afhankelijk zijn van een extern magnetisch veld. Met behulp van laserstralen en microgolfpulsen kunnen de kwantumtoestanden van het centrum worden voorbereid op een manier die maximaal gevoelig is voor magnetische velden. Door kwantumtoestanden met een laser te lezen, konden onderzoekers de sterkte van die velden heel precies bepalen.

“Door de kleine afmetingen van de diamantnaald en de kleine afstand tot de grafeenlaag – slechts zo’n 70 nanometer – konden we de elektronenstromen zichtbaar maken met een resolutie van minder dan honderd nanometer”, zegt Marius Palm, een voormalige wetenschapper. PhD student bij Degen Groep. Deze resolutie is voldoende om de wervels te zien.

Omgekeerde stroomrichting

Bij hun metingen observeerden de onderzoekers een duidelijk teken van de wervels die verwacht werden in de kleinere schijven: een omkering van de stroomrichting. Terwijl bij normaal (diffuus) elektronentransport de elektronen in de band en schijf in dezelfde richting stromen, is in het geval van een werveling de stroomrichting binnen de schijf omgekeerd. Zoals de berekeningen voorspelden, konden er geen wervels worden waargenomen in de grotere schijven.

“Dankzij onze zeer gevoelige sensor en hoge ruimtelijke resolutie hoefden we het grafeen niet eens af te koelen en konden we experimenten uitvoeren bij kamertemperatuur”, zegt Palm. Bovendien ontdekten hij en zijn collega's niet alleen elektronenwervelingen, maar ook wervels gevormd door gatendragers. Door een spanning van onder het grafeen aan te leggen, veranderden ze het aantal vrije elektronen zodanig dat de stroom niet langer door de elektronen werd gedragen, maar door de ontbrekende elektronen, ook wel gaten genoemd. Alleen op het ladingsneutraliteitspunt, waar er een kleine, evenwichtige concentratie van zowel elektronen als gaten is, verdwenen de wervels volledig.

“Op dit moment is het detecteren van elektronenwervelingen fundamenteel onderzoek, en er zijn nog veel open vragen”, zegt Palm. Onderzoekers moeten bijvoorbeeld nog weten hoe botsingen van elektronen met grafeengrenzen het stromingspatroon beïnvloeden, en welke effecten optreden in kleinere structuren. De nieuwe detectiemethode die onderzoekers van ETH gebruiken, maakt het ook mogelijk om veel andere exotische elektronenoverdrachtseffecten in microscopische structuren nader te bekijken – verschijnselen die voorkomen op lengteschalen van enkele tientallen nanometers tot enkele micrometers.