利用钻石针内的磁场传感器(红色箭头)，ETH的研究人员在石墨烯层(蓝色)中成像电子漩涡。Credit: Chaoxin Ding

当一个普通的电导体——比如金属线——连接到电池上时，导体中的电子会被电池产生的电场加速。在运动过程中，电子经常与金属丝晶格中的杂质原子或空位发生碰撞，并将部分运动能量转化为晶格振动。在这个过程中损失的能量被转换成可以感觉到的热量，例如，通过触摸白炽灯泡。

虽然与晶格杂质的碰撞经常发生，但电子之间的碰撞要少得多。然而，当石墨烯(一种排列在蜂窝晶格中的单层碳原子)取代普通的铁线或铜线时，情况就发生了变化。

在石墨烯中，杂质碰撞是罕见的，电子之间的碰撞起主导作用。在这种情况下，电子表现得更像粘性液体。因此，众所周知的流动现象，如涡流，应该发生在石墨烯层中。

据《科学》杂志报道，苏黎世联邦理工学院的克里斯蒂安·德根(Christian Degen)小组的研究人员利用高分辨率磁场传感器，首次成功地直接探测到石墨烯中的电子涡流。

高灵敏度量子传感显微镜

在制造过程中，Degen和他的同事将小圆盘附着在只有一微米宽的导电石墨烯条上，形成了漩涡。这些圆盘的直径在1.2到3微米之间。理论计算表明，电子漩涡应该在较小的圆盘上形成，而不是在较大的圆盘上形成。

为了使涡流可见，研究人员测量了电子在石墨烯内部流动时产生的微小磁场。为此，他们使用了一种量子磁场传感器，该传感器由嵌入在金刚石针尖端的所谓氮空位(NV)中心组成。

作为一种原子缺陷，NV中心的行为就像一个量子物体，其能级取决于外部磁场。利用激光束和微波脉冲，可以制备出对磁场最敏感的中心量子态。通过用激光读出量子态，研究人员可以非常精确地确定这些场的强度。

“由于金刚石针的尺寸很小，与石墨烯层的距离也很小——只有大约70纳米——我们能够以不到100纳米的分辨率看到电子电流，”德根小组的前博士生马吕斯·帕尔姆说。这个分辨率足以看到漩涡。

反向流动方向

在他们的测量中，研究人员在较小的圆盘中观察到预期漩涡的特征标志:流动方向的逆转。而在正常(扩散)电子输运中，电子在条带和磁盘中的流动方向相同，在涡旋的情况下，磁盘内部的流动方向相反。正如计算预测的那样，在较大的圆盘上没有观察到漩涡。

“由于我们非常敏感的传感器和高空间分辨率，我们甚至不需要冷却石墨烯，就能在室温下进行实验，”Palm说。此外，他和他的同事不仅探测到了电子漩涡，还探测到了空穴载流子形成的漩涡。

通过从石墨烯下方施加电压，他们改变了自由电子的数量，从而使电流不再由电子携带，而是由缺失的电子(也称为空穴)携带。只有在电荷中性点，也就是电子和空穴的浓度较小且平衡的地方，涡旋才完全消失。

“目前，对电子漩涡的探测是基础研究，还有很多悬而未决的问题，”帕姆说。例如，研究人员仍然需要弄清楚电子与石墨烯边界的碰撞是如何影响流动模式的，以及在更小的结构中会发生什么影响。

ETH研究人员使用的新检测方法还允许更仔细地观察介观结构中许多其他奇异的电子传递效应-发生在几十纳米到几微米的长度尺度上的现象。