教育新闻网这听起来像是纯巫术：使用钻石观察无形的动力在精心制作的通道中回旋和流动。但是这些钻石是现实的。JQI研究员Ronald Walsworth和量子技术中心(QTC)博士后研究员Mark Ku以及来自其他机构的同事，包括哈佛大学的Amir Yacoby教授和博士后研究员Tony Zhou，已经开发出一种使用钻石查看电子的难以捉摸细节的方法潮流。
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。该团队通过揭示在石墨烯中流动的异常电流来展示该技术的潜力，石墨烯是一个只有一个原子厚的碳层。石墨烯具有出色的电性能，该技术可以帮助研究人员更好地了解石墨烯和其他材料，并为它们找到新的用途。
在7月22日发表在《自然》杂志上的一篇论文中，研究小组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流过水的电流的细节，而不是通过普通电线流过电流的细节。凝聚态物理的核心课题。”论文的主要作者Ku说。“特别是，电子的集体行为类似于具有摩擦的流体的集体行为，可能为解释高温超导体的某些令人困惑的特性提供了关键。”
了解材料内部的电流并非易事。毕竟，一根带电的电线看上去与一根空电线完全一样。但是，载流电线与不携带电力的电线之间存在看不见的区别：运动的电荷始终会产生磁场。但是，如果您想查看电流的精细细节，则需要相应地仔细观察磁场，这是一个挑战。如果您申请钝化工具(例如电磁罗盘)，则所有细节都会被洗掉，而您只需测量平均性能即可。
同时还是马里兰大学量子技术中心主任的沃尔斯沃思(Walsworth)专门从事磁场的超精密测量。他的成功在于挥舞钻石，或更具体地说是人造钻石的量子缺陷。
钻石原石
迈克尔说：“钻石实际上是以最无聊的方式排列的碳分子，”不朽的人物出现在NBC情景喜剧“好地方”中。但是碳分子的有序排列并不总是那么无聊和完美。
瑕疵可在钻石中形成家，并通过周围有序的结构使其稳定。Walsworth和他的团队专注于称为氮空位的缺陷，该缺陷将相邻的两个碳原子换成氮原子和空位。
沃尔斯沃思说：“氮的空位就像冻结在晶格中的原子或离子一样。” “钻石除了方便地固定在原地之外没有太大作用。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，例如能级和自旋，它吸收并发射像单个光子一样发光。”
氮空位吸收绿光，然后以较低能量的红光发出;这种现象类似于交通锥中原子的荧光，产生超亮橙色。发出的红光强度取决于氮空位如何保持能量，该能量对周围的磁场敏感。
因此，如果研究人员将氮空位放在磁场附近，并在钻石上发出绿光，他们就可以通过分析产生的光来确定磁场。由于电流与磁场之间的关系已被很好地理解，因此它们收集的信息有助于绘制电流的详细图像。
为了了解石墨烯中的电流，研究人员以两种方式使用了氮空位。
第一种方法提供最详细的视图。研究人员在一个导电通道上直接运行一个包含单个氮空位的微小钻石。该过程沿电流的细线测量磁场，并揭示电流在大约50纳米的距离上的变化(他们研究的石墨烯通道的宽度大约为1,000至1,500纳米)。但是该方法很耗时，并且使测量保持一致以形成完整的图像具有挑战性。
他们的第二种方法可以生成特定时刻的电流的完整二维快照，如上图所示。石墨烯完全搁置在含有许多氮空位的金刚石板上。这种互补方法会产生模糊的图像，但允许他们立即查看整个电流。
不是你的普通电流
研究人员使用这些工具来研究物理条件特别丰富的情况下石墨烯中的电流流动。在适当的条件下，石墨烯的电流不仅可以由电子产生，还可以由等量的带正电荷的表亲(通常称为空穴，因为它们代表缺失的电子)产生。在石墨烯中，两种电荷强烈地相互作用并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出具有强相互作用的其他材料(例如高温超导体)的秘密。特别是，Walsworth及其同事想确定狄拉克流体中的电流是更像水和蜂蜜一样流动，还是更像铜中的电流那样流动。
在流体中，各个粒子相互作用很多，相互推动和拉动。这些相互作用是造成漩涡涡旋的原因，也是对在流体中流动的物体产生阻力的原因。具有这种相互作用的流体称为粘性流体。像蜂蜜或糖浆这样的粘稠液体会比粘稠的水粘稠得多。
但是，即使水也足够粘稠，无法在光滑的管道中均匀流动。水越靠近管道边缘，流过管道中心的电流越大，速度就越慢。这种特定类型的不均匀流动称为粘性Poiseuille流动，以JeanLéonardMarie Poiseuille的名字命名。JeanLéonardMarie Poiseuille对青蛙中的微小血管中的血液流动的研究激发了他研究流体如何流过小管的能力。
相比之下，正常导体中的电子(如计算机和墙壁中的电线)相互作用不大。它们受导电材料内环境的影响更大，尤其是通常是材料中的杂质。从个体的角度来看，它们的运动更像是香水在空中飘动的动作，而不是水从管道中冲下来。每个电子主要做自己的事情，从一种杂质反弹到另一种杂质，就像香水分子在空气分子之间反弹一样。因此，电流趋于散布并均匀地流动，一直到导体的边缘。
但是，在某些材料(例如石墨烯)中，研究人员意识到电流的行为更像流体。它仅需要正确的强相互作用条件和很少的杂质，就可以看到泊瓦伊耶流，涡旋和其他流体行为的电当量。
Ku说：“在这个最佳位置上没有很多材料。” “石墨烯就是这种材料。当您将大多数其他导体置于非常低的温度下以减少电子与杂质的相互作用时，要么超导起作用，要么电子之间的相互作用不够强。”
绘制石墨烯电流
尽管先前的研究表明电子可以在石墨烯中粘性流动，但对于Dirac流体却无法做到这一点，在Dirac流体中必须考虑电子与空穴之间的相互作用。以前，研究人员无法获得狄拉克流体流的图像来确认细节，例如它是否是泊雪流。但是由Walsworth，Ku和他们的同事介绍的两种新方法产生的图像显示，狄拉克流体流向石墨烯的边缘减小，就像管道中的水一样。他们还观察到了室温下的粘性行为。以前的实验证据表明，石墨烯中的粘性电流仅限于较低的温度。
研究小组认为这项技术将有很多用途，Ku有兴趣继续进行这一研究，并尝试在担任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。除了提供对与狄拉克流体有关的物理学(如高温超导体)的洞察力之外，该技术还可以揭示其他材料中的奇异电流，并为诸如量子自旋霍尔效应和拓扑超导现象提供新的见解。随着研究人员更好地了解材料的新电子行为，他们也许还能够开发其他实际应用，例如新型微电子。
沃尔斯沃思说：“我们知道承载电流的物体有很多技术应用。” “当您发现一种新的物理现象时，最终，人们可能会想出一些技术上使用它的方式。我们希望将来为石墨烯中的粘性电流考虑这一点。”
