马里兰大学 石墨烯中电流的图片(用红色轮廓标出)，显示了使用基于金刚石的量子传感器成像的流体状流动
灰色部分是金属电触点阻止收集数据的地方
学分:哈佛大学和马里兰大学沃尔斯沃斯和雅各布研究小组 这听起来像纯粹的巫术:用钻石来观察无形的力量在精心制作的通道中旋转和流动
但是这些钻石是现实
JQI研究员罗纳德·沃斯沃斯和量子技术中心(QTC)博士后助理古贸瑜，以及来自其他几个机构的同事，包括哈佛大学的阿米尔·雅各布教授和博士后托尼·周，已经开发出一种利用钻石来观察电流的难以捉摸的细节的方法
这项新技术为研究人员提供了微观世界中电的复杂运动的地图
该团队通过揭示石墨烯(一层只有一个原子厚的碳)中流动的异常电流，展示了这项技术的潜力
石墨烯具有非凡的电学性质，这项技术可以帮助研究人员更好地理解石墨烯和其他材料，并找到它们的新用途
在7月22日发表在《自然》杂志上的一篇论文中，该团队描述了他们基于钻石的量子传感器如何在石墨烯中产生电流图像
他们的结果首次揭示了室温石墨烯如何产生电流的细节，这种电流更像是通过管道流动的水，而不是通过普通电线流动的电
“理解强相互作用的量子系统，就像我们石墨烯实验中的电流，是凝聚态物理中的一个中心话题，”该论文的主要作者Ku说
“特别是，类似于具有摩擦的流体的电子的集体行为可能为解释高温超导体的某些令人困惑的特性提供了一把钥匙
" 了解材料内部的电流并不是一件容易的事情
毕竟，带电的电线看起来和不带电的一样
然而，载流导线和不带电导线之间有一个看不见的区别:移动的电荷总是会产生磁场
但是如果你想看到电流的细节，你需要仔细观察磁场，这是一个挑战
如果你用钝的工具，比如磁罗盘，所有的细节都会被洗掉，你只需要测量平均行为
沃尔斯沃斯也是马里兰大学量子技术中心的主任，专门研究磁场的超精密测量
他的成功在于运用钻石，或者更具体地说是人造钻石的量子缺陷
钻石中的粗糙 “钻石实际上是以最无聊的方式排列的碳分子，”迈克尔说，他是美国全国广播公司情景喜剧《好地方》中的不朽人物
“但是碳分子的有序排列并不总是那么无聊和完美
不完美可以在钻石中安家，并被周围有序的结构所稳定
沃兹沃斯和他的团队专注于被称为氮空位的缺陷，用两个相邻的碳原子交换一个氮原子和一个空位
通过在金刚石中氮空位的磁场成像捕捉石墨烯中电流的2D快照的显微镜设置
在图像中可以看到激发非挥发性物质的绿光
信用:梅森
马歇尔，哈佛和马里兰大学 “氮空位的作用就像冻结在晶格中的原子或离子，”沃兹沃斯说
“除了方便地将钻石放在适当的位置之外，钻石没有太大的作用
钻石中的氮空位，很像自由空间中的原子，具有量子力学性质，如能级和自旋，它以单个光子的形式吸收和发射光
" 氮空位吸收绿光，然后以低能红光的形式发射出去；这种现象类似于交通锥细胞中的原子荧光，产生了格外明亮的橙色
发出的红光强度取决于氮空位如何保持能量，而能量对周围的磁场很敏感
因此，如果研究人员在磁源附近放置一个氮空位，并在钻石上发出绿光，他们可以通过分析产生的光来确定磁场
由于电流和磁场之间的关系已被很好地理解，它们收集的信息有助于描绘电流的详细图像
为了了解石墨烯中的电流，研究人员以两种方式使用氮空位
第一种方法提供了最详细的视图
研究人员让一颗含有单一氮空位的小钻石直接穿过导电通道
这个过程测量了穿过电流的一条窄线的磁场，并揭示了电流在大约50纳米距离内的变化(他们研究的石墨烯通道大约有1000到1500纳米宽)
但是这种方法很费时，而且保持测量结果一致以形成完整的图像也很有挑战性
他们的第二种方法产生了一个完整的二维快照，就像上图所示的，一个特定时刻的电流
石墨烯完全位于含有许多氮空位的金刚石片上
这种互补的方法产生了一个更模糊的图片，但允许他们一次看到整个电流
不是你的普通电流 研究人员使用这些工具来研究石墨烯中的电流，这种情况下的物理特别丰富
在正确的条件下，石墨烯可以有一个电流，这个电流不仅由电子组成，而且由相同数量的带正电荷的表亲组成——通常被称为空穴，因为它们代表一个丢失的电子
在石墨烯中，两种类型的电荷强烈相互作用，形成所谓的狄拉克流体
研究人员认为，了解相互作用对狄拉克流体行为的影响可能会揭示其他具有长时间相互作用的材料的秘密，比如高温超导体
特别是，沃兹沃斯和他的同事想确定狄拉克流体中的电流是更像水和蜂蜜，还是像铜中的电流
通过在金刚石中氮空位的磁场成像捕捉石墨烯中电流的2D快照的显微镜设置
在图像中可以看到激发非挥发性物质的绿光
(背景色调整为高亮绿光)信用:梅森C
马歇尔，哈佛和马里兰大学 在流体中，单个粒子相互作用很大——相互推和拉
这些相互作用导致了涡流的形成和流体中运动物体的阻力
具有这些相互作用的流体被称为粘性流体
像蜂蜜或糖浆这样的粘稠液体比像水这样的稀薄液体更粘稠
但是即使是水也有足够的粘性，在光滑的管道中流动不均匀
越靠近管道边缘，水流越慢，管道中心的水流速度最快
这种特殊类型的不均匀流动被称为粘性泊肃叶流，以让·莱昂纳尔·玛丽·泊肃叶的名字命名，他对血液在青蛙微小血管中流动的研究启发他研究液体如何通过小管流动
相比之下，普通导体中的电子，就像电脑和墙壁中的电线一样，相互作用不多
它们受导电材料内部环境的影响更大，尤其是材料中的杂质
在个人尺度上，它们的运动更像是空气中飘散的香水，而不是从管子里冲下来的水
每个电子大部分都做自己的事，从一种杂质跳到另一种杂质，就像香水分子在空气分子之间跳跃一样
所以电流倾向于分散并均匀流动，一直到导体的边缘
但是在某些材料中，比如石墨烯，研究人员意识到电流的行为更像流体
它只需要合适的强相互作用和少量杂质的条件，就能看到泊肃叶流、涡流和其他流体行为的电等效物
“没有多少材料在这个最佳位置，”Ku说
“石墨烯就是这样一种材料
当你把大多数其他导体带到非常低的温度以减少电子与杂质的相互作用时，要么超导性开始发挥作用，要么电子之间的相互作用不够强
" 绘制石墨烯的电流 虽然先前的研究表明电子可以在石墨烯中粘性流动，但是对于必须考虑电子和空穴之间相互作用的狄拉克流体，他们却没有做到这一点
此前，研究人员无法获得狄拉克流体的图像来确认细节，比如它是否是泊肃叶流
但是沃兹沃斯、Ku和他们的同事引入的两种新方法产生的图像显示，狄拉克流体的电流向石墨烯的边缘减小，就像管中的水一样
他们还观察了室温下的粘性行为；之前石墨烯中粘性电流的实验证据仅限于较低的温度
该团队相信这种技术会有很多用途，Ku有兴趣继续这方面的研究，并试图在他作为特拉华大学物理学助理教授的下一个职位上使用这些技术观察新的粘性行为
除了提供与狄拉克流体(如高温超导体)相关的物理见解之外，这项技术还可能揭示其他材料中的奇异电流，并为量子自旋霍尔效应和拓扑超导等现象提供新的见解
随着研究人员更好地理解材料的新的电子行为，他们也许能够开发其他实际应用，如新型微电子学
“我们知道，携带电流的东西有许多技术应用，”沃兹沃斯说
“当你发现一种新的物理现象时，最终，人们可能会想出一些方法在技术上使用它
我们想在未来考虑石墨烯中的粘性电流
"
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