Sciencemag.cz
Doporučujeme
Elektrony v grafenu se chovají zvláštně, jejich proud se přirovnává ke kapalině. Jak ale takové elektrické proudy přesně zaznamenávat a podrobněji analyzovat? Právě to by mohla umožnit jiná modifikace uhlíku, diamant. Příslušný detektor by se přitom dal využít třeba i ke zkoumání vysokoteplotních supravodičů.
Samotný princip detekce je jednoduchý. Pohybující se elektrický náboj vytváří magnetické pole. V roli jeho ultracitlivého detektoru funguje diamant s nečistotami, konkrétně dopovaný dusíkem – ovšem tak, že ve struktuře vznikne současně díra, tj. namísto 2 atomů uhlíku je jen jeden dusík a jedno místo zůstane volné (nitrogen vacancy). Ronald Walsworth a Mark Ku z University of Maryland a Amir Yacoby z Tony Zhou (výčet zúčastněných autorů ani institucí není kompletní) uvádějí, že dusíková díra se pak v diamantu chová jako speciální atom nebo iont, má vlastní energetické hladiny pro elektrony, které odpovídají absorpci a emisi světla (fotonů o určitě energii). Konkrétně může dusíková díra fungovat tak, že absorbuje zelené světlo a vyzařuje červené světlo (o nižší energii). Jde o jev podobný fluorescenci, klíčové zde však je to, že intenzita červeného světla, tj. to, jak dochází zase k přeskoku na nižší energetickou hladinu, závisí na vnějším magnetickém poli. Diamant proto může fungovat jako velmi citlivý detektor jeho změn a z toho lze zase získat přesnou představu o fungování elektrických proudů v grafenu.
Současné metody umožňují už např. připravit i kousek diamantu s jedinou dusíkovou dírou a ten pak umístit v grafenu nad vodivý kanál (poznámka PH: asi nějak jako: nad geometrickou spojnici připojených elektrod apod.). Díra pak vyhodnocuje proud do vzdálenosti asi 50 nm. Tento postup je přesný, ovšem časově náročný – samotné vodivé kanály v grafenu, které se zkoumaly, nebyly užší než 1 000 nm, takže diamantový detektor bylo třeba posouvat. Druhou možností je položit grafen na diamantovou fólii s mnoha dusíkovými dírami, a získat tím méně přesný, ale úplný 2D snímek ve stejném okamžiku.
A co vlastně znamená, když řekneme, že elektrony v grafenu se chovají jako kapalina? Interagují spolu a vzájemně se táhnou (poznámka PH: i když se jako stejně elektricky nabité částice odpuzují; i v tom je to celé zamotané). Tuto vlastnost kapalin popisuje jejich viskozita. Při proudění kapalin to pak znamená, že uprostřed trubky teče voda (nemluvě třeba o medu) rychleji než na okrajích. U grafenu to, na rozdíl od měděného drátu, funguje stejně i pro pohyb elektronů. Naopak v běžných, byť dobře vodivých materiálech elektrony interagují mnohem spíše s lokálními nečistotami apod. překážkami. Ty jsou nespíš rozptýleny v materiálu náhodně, takže rychlost pohybu elektronů pak nezávisí na vzdálenosti od okraje vodiče. A mimochodem: elektrický proud v grafenu je podle nových měření viskózní již při běžné teplotě.
Takto chápáno pak supravodivost vyžaduje dvě podmínky. Za prvé snížení interakcí elektronů s nečistotami, čehož lze obecně dosáhnout snížením teploty. Jenže ani tak ne v každém materiálu spolu elektrony začnou interagovat potřebným způsobem – a to je právě ta druhá podmínka.
Každopádně podobné metody měření detailní podoby elektrických proudů mají kromě supravodivosti vztah i k souvisejícím jevům a konceptům (kvantový Hallův jev, topologické supravodiče, Diracovy tekutiny…).
Imaging viscous flow of the Dirac fluid in graphene, Nature (2020). DOI: 10.1038/s41586-020-2507-2
Zdroj: University of Maryland/Phys.org
