그래핀에서 전자 소용돌이가 발견되었습니다.

금속 와이어와 같은 일반적인 전기 도체를 배터리에 연결하면 도체의 전자가 배터리에서 생성된 전기장에 의해 가속됩니다. 전자가 움직일 때 전자는 와이어 결정 격자의 불순물 원자나 빈 공간과 자주 충돌하여 운동 에너지의 일부를 격자 진동으로 변환합니다. 이 과정에서 손실된 에너지는 예를 들어 백열전구를 만질 때 느낄 수 있는 열로 변합니다.

격자 불순물과의 충돌은 자주 발생하지만 전자 간의 충돌은 훨씬 드뭅니다. 그러나 일반적인 철선이나 구리선 대신 벌집 모양 격자로 배열된 탄소 원자의 단일 층인 그래핀을 사용하면 상황이 달라집니다. 그래핀에서는 불순물 충돌이 거의 없으며, 전자 간의 충돌이 주된 역할을 한다. 이 경우 전자는 점성 유체처럼 행동합니다. 따라서 그래핀 층에서는 소용돌이와 같은 잘 알려진 흐름 현상이 발생해야 합니다.

과학 저널 사이언스(Science)에 발표된 보고서에서 크리스티안 데겐(Christian Degen) 그룹의 취리히 공과대학(ETH Zurich) 연구진은 고해상도 자기장 센서를 사용하여 처음으로 그래핀에서 전자 소용돌이를 직접 감지할 수 있었습니다.

고감도 양자 감지 현미경

소용돌이는 작은 원형 디스크로 형성되었으며, Degen과 그의 동료들은 제조 과정에서 이를 불과 1마이크로미터 너비의 전도성 그래핀 리본에 부착했습니다. 디스크의 직경은 1.2~3μm 범위였습니다. 이론적 계산에 따르면 전자 소용돌이는 작은 원반에서는 형성되지만 큰 원반에서는 형성되지 않습니다.

소용돌이를 가시화하기 위해 연구진은 그래핀 내부에 흐르는 전자에 의해 생성된 작은 자기장을 측정했습니다. 이를 위해 그들은 다이아몬드 바늘 끝에 통합된 소위 질소 공극(NV) 센터로 구성된 양자 자기장 센서를 사용했습니다. 원자 결함인 NV 센터는 에너지 수준이 외부 자기장에 의존하는 양자 물체처럼 동작합니다. 레이저 빔과 마이크로파 펄스를 사용하면 중심의 양자 상태가 자기장에 최대한 민감한 방식으로 준비될 수 있습니다. 연구자들은 레이저로 양자 상태를 판독함으로써 해당 필드의 강도를 매우 정확하게 결정할 수 있었습니다.

“다이아몬드 바늘의 작은 크기와 그래핀 층과의 짧은 거리(약 70나노미터)로 인해 우리는 100나노미터 미만의 해상도로 전자 전류를 볼 수 있었습니다.”라고 전 연구원인 Marius Palm은 말했습니다. 과학자. Degen Group의 박사과정 학생입니다. 이 해상도는 소용돌이를 보기에 충분합니다.

역방향 흐름 방향

측정에서 연구원들은 더 작은 디스크에서 예상되는 소용돌이의 뚜렷한 신호, 즉 흐름 방향의 반전을 관찰했습니다. 일반적인(확산) 전자 이동에서는 밴드와 디스크의 전자가 동일한 방향으로 흐르지만, 소용돌이의 경우 디스크 내의 흐름 방향은 반대가 됩니다. 계산에서 예측한 대로 더 큰 원반에서는 소용돌이가 관찰되지 않았습니다.

Palm은 “고감도 센서와 높은 공간 분해능 덕분에 그래핀을 냉각할 필요도 없었고 실온에서 실험을 수행할 수 있었습니다.”라고 말했습니다. 더욱이 그와 그의 동료들은 전자 소용돌이뿐만 아니라 정공 운반체에 의해 형성된 소용돌이도 발견했습니다. 그래핀 아래에 전압을 가함으로써 전류 흐름이 더 이상 전자에 의해 전달되지 않고 정공이라고도 불리는 누락된 전자에 의해 전달되는 방식으로 자유 전자의 수를 변경했습니다. 전자와 정공의 농도가 작고 균형 잡힌 농도가 있는 전하 중성점에서만 소용돌이가 완전히 사라졌습니다.

Palm은 “현재 전자 소용돌이를 감지하는 것은 근본적인 연구이며 아직 해결되지 않은 질문이 많다”고 말했습니다. 예를 들어, 연구자들은 전자와 그래핀 경계의 충돌이 흐름 패턴에 어떤 영향을 미치는지, 더 작은 구조에서는 어떤 영향이 발생하는지 알아야 합니다. ETH 연구원들이 사용하는 새로운 검출 방법을 사용하면 수십 나노미터에서 수 마이크로미터의 길이 규모에서 발생하는 현상인 미세한 구조의 다른 많은 이국적인 전자 전달 효과를 자세히 관찰할 수 있습니다.