Cela ressemble à de la pure sorcellerie :utiliser des diamants pour observer un pouvoir invisible tourbillonnant et circulant à travers des canaux soigneusement conçus. Mais ces diamants sont une réalité. Le boursier JQI Ronald Walsworth et l'associé postdoctoral du Quantum Technology Center (QTC) Mark Ku, avec des collègues de plusieurs autres institutions, dont le professeur Amir Yacoby et le boursier postdoctoral Tony Zhou à Harvard, ont développé un moyen d'utiliser les diamants pour voir les détails insaisissables des courants électriques.

La nouvelle technique donne aux chercheurs une carte du mouvement complexe de l'électricité dans le monde microscopique. L'équipe a démontré le potentiel de la technique en révélant les courants électriques inhabituels qui circulent dans le graphène, une couche de carbone d'un seul atome d'épaisseur. Le graphène a des propriétés électriques exceptionnelles, et la technique pourrait aider les chercheurs à mieux comprendre le graphène et d'autres matériaux et à leur trouver de nouvelles utilisations.

Dans un article publié le 22 juillet dans la revue La nature , l'équipe décrit comment leurs capteurs quantiques à base de diamant produisent des images de courants dans le graphène. Leurs résultats ont révélé, pour la première fois, des détails sur la façon dont le graphène à température ambiante peut produire des courants électriques qui s'écoulent plus comme de l'eau à travers des tuyaux que de l'électricité à travers des fils ordinaires. comme les courants dans notre expérience sur le graphène, est un sujet central en physique de la matière condensée, " dit Ku, l'auteur principal de l'article. "En particulier, les comportements collectifs des électrons ressemblant à ceux des fluides avec friction pourraient fournir une clé pour expliquer certaines des propriétés déroutantes des supraconducteurs à haute température. »

Il n'est pas facile d'avoir un aperçu du courant à l'intérieur d'un matériau. Après tout, un fil vivant avec de l'électricité ressemble à un fil mort. Cependant, il y a une différence invisible entre un fil sous tension et un fil sans courant électrique :une charge en mouvement génère toujours un champ magnétique. Mais si vous voulez voir les moindres détails du courant, vous devez examiner de près le champ magnétique, ce qui est un défi. Si vous postulez pour émousser un outil, comme un compas magnétique, tous les détails sont effacés et vous mesurez simplement le comportement moyen.

Walsworth, qui est également le directeur du Centre de technologie quantique de l'Université du Maryland, est spécialisé dans les mesures ultra-précises des champs magnétiques. Son succès réside dans le maniement des diamants, ou plus précisément les imperfections quantiques des diamants synthétiques.

Le brut dans le diamant

"Les diamants sont littéralement des molécules de carbone alignées de la manière la plus ennuyeuse, " dit Michel, l'être immortel dans la sitcom NBC "The Good Place". Mais l'alignement ordonné des molécules de carbone n'est pas toujours aussi ennuyeux et parfait.

Les imperfections peuvent faire leur demeure dans les diamants et être stabilisées par l'environnement, structure ordonnée. Walsworth et son équipe se concentrent sur les imperfections appelées lacunes d'azote, qui échangent deux des atomes de carbone voisins contre un atome d'azote et une lacune.

"La lacune d'azote agit comme un atome ou un ion figé dans un réseau, " dit Walsworth. " Et le diamant n'a pas beaucoup d'effet en plus de le maintenir commodément en place. Une lacune d'azote dans un diamant, un peu comme un atome dans l'espace libre, possède des propriétés de mécanique quantique, comme les niveaux d'énergie et la rotation, et il absorbe et émet de la lumière sous forme de photons individuels."

Les lacunes d'azote absorbent la lumière verte, puis l'émettre sous forme de lumière rouge à faible énergie ; ce phénomène est similaire à la fluorescence des atomes dans les cônes de signalisation qui créent la couleur orange extra-brillante. L'intensité de la lumière rouge qui est émise dépend de la façon dont la lacune d'azote retient l'énergie, qui est sensible au champ magnétique environnant.

Ainsi, si les chercheurs placent une lacune d'azote près d'une source magnétique et éclairent le diamant d'une lumière verte, ils peuvent déterminer le champ magnétique en analysant la lumière produite. Puisque la relation entre les courants et les champs magnétiques est bien comprise, les informations qu'ils recueillent aident à brosser une image détaillée du courant.

Pour avoir un aperçu des courants dans le graphène, les chercheurs ont utilisé les lacunes d'azote de deux manières.

La première méthode fournit la vue la plus détaillée. Les chercheurs exécutent un petit diamant contenant une seule lacune d'azote directement à travers un canal conducteur. Ce processus mesure le champ magnétique le long d'une ligne étroite à travers un courant et révèle des changements dans le courant sur des distances d'environ 50 nanomètres (les canaux de graphène qu'ils étudient étaient d'environ 1, 000 à 1, 500 nanomètres de large). Mais la méthode prend du temps, et il est difficile de garder les mesures alignées pour former une image complète.

Leur deuxième approche produit un instantané complet en deux dimensions, comme celui montré dans l'image ci-dessus, d'un courant à un instant donné. Le graphène repose entièrement sur une feuille de diamant qui contient de nombreuses lacunes d'azote. Cette méthode complémentaire génère une image plus floue mais leur permet de voir tout le courant à la fois.

Pas votre courant ordinaire

Les chercheurs ont utilisé ces outils pour étudier la circulation des courants dans le graphène dans une situation à la physique particulièrement riche. Dans les bonnes conditions, Le graphène peut avoir un courant constitué non seulement d'électrons, mais d'un nombre égal de cousins ​​chargés positivement, communément appelés trous car ils représentent un électron manquant. Dans le graphène, les deux types de charges interagissent fortement et forment ce que l'on appelle un fluide de Dirac. Les chercheurs pensent que comprendre les effets des interactions sur les comportements du fluide de Dirac pourrait révéler les secrets d'autres matériaux avec des interactions fortes, comme les supraconducteurs à haute température. En particulier, Walsworth et ses collègues voulaient déterminer si le courant dans le fluide de Dirac s'écoule davantage comme de l'eau et du miel, ou comme un courant électrique dans le cuivre.

Dans un fluide, les particules individuelles interagissent beaucoup, se poussant et tirant les unes sur les autres. Ces interactions sont responsables de la formation de vortex tourbillonnants et de la traînée sur les objets se déplaçant dans un fluide. Un fluide avec ce genre d'interactions est appelé visqueux. Les fluides plus épais comme le miel ou le sirop qui traînent vraiment sur eux-mêmes sont plus visqueux que les fluides plus minces comme l'eau.

Mais même l'eau est suffisamment visqueuse pour s'écouler de manière inégale dans des tuyaux lisses. L'eau ralentit à mesure que vous vous rapprochez du bord du tuyau avec le courant le plus rapide au centre du tuyau. Ce type particulier d'écoulement irrégulier est appelé écoulement visqueux de Poiseuille, du nom de Jean Léonard Marie Poiseuille, dont l'étude du sang traversant de minuscules vaisseaux sanguins chez les grenouilles l'a inspiré à étudier la façon dont les fluides circulent dans de petits tubes.

En revanche, les électrons dans un conducteur normal, comme les fils dans les ordinateurs et les murs, n'interagissent pas beaucoup. Ils sont beaucoup plus influencés par l'environnement au sein du matériau conducteur, souvent des impuretés dans le matériau en particulier. A l'échelle individuelle, leur mouvement ressemble plus à celui d'un parfum qui flotte dans l'air qu'à celui de l'eau qui coule dans une pipe. Chaque électron fait principalement sa propre chose, rebondissant d'une impureté à l'autre comme une molécule de parfum rebondissant entre les molécules d'air. Ainsi, les courants électriques ont tendance à s'étaler et à circuler uniformément, jusqu'aux bords du conducteur.

Mais dans certains matériaux, comme le graphène, les chercheurs ont réalisé que les courants électriques peuvent se comporter davantage comme des fluides. Il faut juste les bonnes conditions d'interactions fortes et peu d'impuretés pour voir les équivalents électriques de Poiseuille s'écouler, tourbillons et autres comportements fluides.

"Il n'y a pas beaucoup de matériaux dans cet endroit idéal, " dit Ku. " Le graphène s'avère être un tel matériau. Lorsque vous portez la plupart des autres conducteurs à très basse température pour réduire les interactions de l'électron avec les impuretés, soit la supraconductivité entre en jeu, soit les interactions entre les électrons ne sont tout simplement pas assez fortes."

Cartographie des courants de graphène

Alors que des recherches antérieures indiquaient que les électrons peuvent circuler de manière visqueuse dans le graphène, ils ne l'ont pas fait pour un fluide de Dirac où les interactions entre électrons et trous doivent être prises en compte. Précédemment, les chercheurs n'ont pas pu obtenir une image d'un courant de fluide de Dirac pour confirmer des détails comme s'il s'agissait d'un écoulement de Poiseuille. Mais les deux nouvelles méthodes introduites par Walsworth, Ku et leurs collègues produisent des images qui ont révélé que le courant de fluide de Dirac diminue vers les bords du graphène, comme pour l'eau dans un tuyau. Ils ont également observé le comportement visqueux à température ambiante; les preuves d'expériences précédentes pour le flux électrique visqueux dans le graphène étaient limitées à des températures plus froides.

L'équipe pense que cette technique trouvera de nombreuses utilisations, et Ku est intéressé à poursuivre cette ligne de recherche et à essayer d'observer de nouveaux comportements visqueux en utilisant ces techniques dans son prochain poste de professeur adjoint de physique à l'Université du Delaware. En plus de fournir un aperçu de la physique liée au fluide de Dirac comme les supraconducteurs à haute température, la technique peut également révéler des courants exotiques dans d'autres matériaux et fournir de nouvelles informations sur des phénomènes tels que l'effet Hall de spin quantique et la supraconductivité topologique. Et à mesure que les chercheurs comprennent mieux les nouveaux comportements électroniques des matériaux, ils peuvent également développer d'autres applications pratiques, comme les nouveaux types de microélectronique.

« Nous savons qu'il existe de nombreuses applications technologiques pour les objets qui transportent des courants électriques, " dit Walsworth. " Et quand vous trouvez un nouveau phénomène physique, finalement, les gens trouveront probablement un moyen de l'utiliser technologiquement. Nous voulons y penser pour le courant visqueux dans le graphène à l'avenir."