ทีมวิจัยที่นำโดยนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดและมหาวิทยาลัยแมรีแลนด์ในสหรัฐอเมริกาได้ใช้ข้อบกพร่องในเพชรเพื่อทำแผนที่สนามแม่เหล็กที่เกิดจากกระแสไฟฟ้าในกราฟีน การทดลองของพวกเขาเผยให้เห็นว่ากระแสในการไหลของคาร์บอนในรูปแบบอะตอมบางๆ นี้เหมือนกับของเหลวหนืด ซึ่งเป็นผลลัพธ์ที่สามารถให้ข้อมูลเชิงลึกที่สดใหม่เกี่ยวกับพฤติกรรมส่วนรวมของอิเล็กตรอน
ในระบบควอนตัมที่มีปฏิสัมพันธ์อย่างรุนแรง
กราฟีนมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่โดดเด่นมากมาย ในหมู่พวกเขาคือความจริงที่ว่า ณ จุดที่แถบการนำไฟฟ้าและวาเลนซ์ของมันสัมผัสกันมันสามารถรองรับกระแสที่ประกอบด้วยอิเล็กตรอนและรูที่มีประจุบวกจำนวนเท่ากันมากกว่าอิเล็กตรอนเพียงอย่างเดียว ในงานปัจจุบัน Ronald Walsworth , Amir Yacobyและเพื่อนร่วมงานได้ตั้งเป้าหมายว่าพลาสมาอิเล็กตรอน-รู (หรือของเหลว Dirac ตามที่รู้จักกัน) ไหลได้อย่างราบรื่นเช่นอิเล็กตรอนที่เดินทางผ่านลวดโลหะหรือไม่สม่ำเสมอเหมือนน้ำที่ไหลผ่าน ท่อ
การทำแผนที่สนามแม่เหล็กท้องถิ่นเนื่องจากระบบสองมิติเช่น graphene แสดงความสัมพันธ์แบบหนึ่งต่อหนึ่งระหว่างความหนาแน่นกระแสและสนามแม่เหล็ก Walsworth, Yacoby และเพื่อนร่วมงานรู้ว่าพวกเขาสามารถแยกรูปแบบการไหลของกระแสได้โดยการทำแผนที่สนามแม่เหล็กใกล้กับตัวอย่าง graphene เมื่อต้องการทำเช่นนี้ พวกเขาหันไปใช้ศูนย์ตำแหน่งว่างไนโตรเจน (NV) ในเพชร
ศูนย์ NV เป็นข้อบกพร่องที่เกิดขึ้นเมื่ออะตอมของคาร์บอนที่อยู่ใกล้เคียงสองอะตอมในโครงผลึกของเพชรถูกแทนที่ด้วยอะตอมไนโตรเจนและไซต์ขัดแตะที่ว่างเปล่า พวกมันมีคุณสมบัติควอนตัมมากมาย รวมถึงการหมุนและความสามารถในการปล่อยโฟตอนเดี่ยว ระดับพลังงานของพวกมันยังมีความไวสูงต่อสนามแม่เหล็ก ซึ่งหมายความว่าเมื่อศูนย์ NV ตื่นเต้นกับพัลส์เลเซอร์ ความเข้มของการเรืองแสงที่เปล่งออกมาจะเปลี่ยนไปตามความผันผวนของสนามแม่เหล็กในท้องถิ่น
ทีมงานใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติเหล่านี้ของศูนย์
NV ในสองวิธี ขั้นแรก พวกเขาใช้ปลายเพชรที่มีโครงสร้างระดับนาโนซึ่งมีศูนย์ NV เดียวผ่านช่องนำไฟฟ้าที่แคบ (กว้าง 1–1.5 µm) ในกราฟีน ซึ่งช่วยให้พวกเขาระบุลักษณะของสนามแม่เหล็กตามเส้นแคบๆ ที่ลากผ่านอุปกรณ์กราฟีน เผยให้เห็นการเปลี่ยนแปลงในรูปแบบการไหลของกระแสด้วยความละเอียดเชิงพื้นที่ประมาณ 50 นาโนเมตร
แม้ว่าวิธีการนี้จะให้มุมมองโดยละเอียดเกี่ยวกับโฟลว์ปัจจุบัน แต่ก็ใช้เวลานาน ดังนั้นจึงไม่เหมาะที่จะใช้ในการทำแผนที่โฟลว์ในมุมมอง 2 มิติทั้งหมดของการทดลอง เพื่อให้ได้มุมมองที่กว้างขึ้น ทีมงานได้วางตัวอย่างกราฟีนบนแผ่นเพชรที่มีศูนย์ NV จำนวนมากอยู่ใกล้พื้นผิว จากนั้นจึงใช้กล้องถ่ายภาพการกระจายสนามแม่เหล็กในตัวอย่าง ซึ่งบันทึกโดยการเรืองแสงของศูนย์ NV
เทคนิคนี้สร้างสแนปชอต 2D ที่สมบูรณ์ของรูปแบบของกระแสที่ไหลผ่านกราฟีนในคราวเดียว แม้ว่าสแนปชอตจะมีความละเอียดเชิงพื้นที่ต่ำกว่า (ประมาณ 400 นาโนเมตร) เมื่อเทียบกับภาพที่ได้จากศูนย์ NV แห่งเดียว แต่จะให้ภาพรวมว่ากระแสไหลไปอย่างไรในตัวอย่างทั้งหมด แทนที่จะอยู่ในช่องสัญญาณแคบเพียงช่องเดียว ในช่วงเวลาที่กำหนด .
ความหนาแน่นกระแสของไหล Dirac พัฒนาโปรไฟล์พาราโบลา”วิธีการทั้งสองของเราได้สร้างภาพที่แสดงให้เห็นว่าความหนาแน่นกระแสของไหล Dirac พัฒนาโปรไฟล์พาราโบลาซึ่งการไหลเร็วที่สุดที่จุดศูนย์กลางของตัวอย่าง graphene และลดลงที่ขอบ – เช่นเดียวกับที่น้ำไหลในท่อ” กล่าว ผู้เขียนนำการศึกษา Mark Ku และ Tony Zhou ในขณะที่การศึกษาก่อนหน้านี้แสดงให้เห็นว่าอิเล็กตรอนสามารถไหลได้เหมือนน้ำในกราฟีน แต่การศึกษาอื่นๆ เหล่านี้ล้มเหลวในการยืนยันการมีอยู่ของการไหลหนืดในกระแสที่ประกอบด้วยของเหลว Dirac ซึ่งมีลักษณะอันตรกิริยาที่รุนแรงระหว่างอนุภาคของส่วนประกอบ นักวิจัยยังสังเกตด้วยว่าพวกเขาสังเกตพฤติกรรมหนืดที่อุณหภูมิห้อง
ในขณะที่การทดลองก่อนหน้านี้จำกัดอยู่ที่อุณหภูมิที่เย็นกว่า
อิเล็กตรอนไหลเหมือนน้ำในกราฟีนบริสุทธิ์พิเศษ”การศึกษาการไหลของอุทกพลศาสตร์หนืดในระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่มีความบริสุทธิ์สูง (เช่น กราฟีน) มีความสำคัญในฟิสิกส์ของสสารควบแน่น เนื่องจากพฤติกรรมดังกล่าวถือว่ามีบทบาทในการมีปฏิสัมพันธ์กับสสารควอนตัมโดยทั่วไป” Ku กล่าวกับPhysics World “งานของเราเปิดโอกาสที่น่าตื่นเต้นในการสำรวจปรากฏการณ์ต่างๆ เช่น ความปั่นป่วนทางอิเล็กทรอนิกส์ (ซึ่งไม่มีใครสังเกตมาก่อน) ซึ่งคิดว่ามีบทบาทในคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ที่ผิดปกติของตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง เป็นต้น”
การศึกษาซึ่งมีรายละเอียดในธรรมชาติยังแสดงให้เห็นว่าการถ่ายภาพสนามแม่เหล็กด้วยศูนย์ NV สามารถเปิดเผยปรากฏการณ์การขนส่งที่แปลกใหม่ ซึ่งหมายความว่าข้อบกพร่องของ NV สามารถใช้เพื่อศึกษาวัสดุคุณภาพสูงอื่นๆ ที่อาจแสดงอุทกพลศาสตร์ของอิเล็กตรอน เช่นเดียวกับพฤติกรรมการขนส่งทางอิเล็กทรอนิกส์ที่แปลกใหม่ประเภทอื่นๆ (เช่น ตัวนำยิ่งยวดทอพอโลยี) การทำความเข้าใจการไหลของอิเล็กทรอนิกส์ที่มีความหนืดอาจช่วยให้นักวิจัยใช้ประโยชน์จากพฤติกรรมนี้ในอุปกรณ์ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ใหม่ที่ทำจากกราฟีนและวัสดุที่เกี่ยวข้อง
ทางเลือกหนึ่ง อย่างน้อยก็ในระยะกลาง คือ อุปกรณ์ที่ทำงานอยู่ใต้ดิน Oliver กล่าวว่านี่จะเป็น “แนวทางที่ดีในการตรวจสอบและวิจัย” แต่เขาให้เหตุผลว่าสำหรับการใช้งานจริง จะเป็นการดีกว่าถ้าออกแบบ qubits ที่อ่อนแอต่อ quasiparticles “นั่นจะช่วยให้เราสามารถรักษาคอมพิวเตอร์ควอนตัมตัวนำยิ่งยวดไว้เหนือพื้นดิน” เขากล่าว
“จากผลการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ที่มีแนวโน้มว่าจะมีการปรับปรุง ซึ่งแสดงให้เห็นการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญในการรักษาด้วย AMD แบบเปียก เมื่อเทียบกับอุปกรณ์ที่ได้รับการตรวจสอบก่อนหน้านี้ เราวางแผนที่จะสร้างแพลตฟอร์มเอกซเรย์ kV ที่เน้นต้นแบบที่มีระบบการวางแผนการรักษาแบบมอนติคาร์โลเพื่อเปิดใช้งานก่อน- ห้องปฏิบัติการแปลทางคลินิกและการวิจัยทางคลินิก” Liu กล่าวกับPhysics World “เราหวังว่าเทคนิคนี้สามารถใช้ร่วมกับยาต้าน VEGF เพื่อปรับปรุงการรักษา AMD แบบเปียก และลดความถี่ในการฉีดสารต้าน VEGF ได้อย่างมาก หลังจากประสบความสำเร็จในการพัฒนาต้นแบบและการตรวจสอบพรีคลินิก เราหวังว่าจะทำการทดลองทางคลินิกในมนุษย์ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า”
