Ученые из Мельбурнского университета впервые засняли движение электронов в графене. Понимание поведения токов в сверхтонких материалах поможет вразработке эффективных устройств на их основе. Исследование опубликовано в журнале Science Advances.

Электронные устройства следующего поколения, разрабатываемые на основе графена и других сверхтонких материалах, особенно чувствительны к трещинам или иным дефектам, искажающим электрический ток. Существующие методы измерения тока в таких материалах обычно дают только общую информацию, не показывая локальную картину.

Метод, использованный в работе, основан на использовании NV-центров – дефектов в алмазе. Они возникают при удалении одного атома углерода. Полученная на месте углерода вакансия связывается с близлежащим атомом азота и «использует» его валентные электроны. Особенность таких центров заключается в том, что их электроны имеют специфическую чувствительность к различным воздействиям, таким как электромагнитное поле или свет.

Схема экспериментальной установки. Jean-Philippe Tetienne et al. / Science Advances, 2017

Установка, с помощью которых ученым удалось снять электрический ток, была устроена следующим образом. На алмазную подложку с NV-центрами расположенными в 20 нанометрах от поверхности нанесли слой графена и металлические контакты. Подложка была установлена на микроволновой резонатор. Эксперимент происходил следующим образом: на графен подавался ток; с помощью лазера зеленого цвета и микроволн в NV-центрах возбуждались электроны, чувствительные к электромагнитному полю. Под действием поля, создаваемого электрическим током в графене, в NV-центрах возникала фотолюминесценция красного цвета, которая регистрировалась с помощью камеры. Таким образом, из интенсивности люминесценции исследователи получали картину электрического тока в графене в реальном времени. Полученные изображения показали явную корреляцию между плотностью тока и дефектами в графене.

Движение тока возле дефектов в графене. Jean-Philippe Tetienne et al. / Science Advances, 2017

Ученые отмечают, что их метод позволяет регистрировать токи величиной от 1 микроампера, а разрешение получаемого изображения ограничено только дифракционным пределом. Они считают, что использованную ими методику можно распространить и на другие материалы, что может быть полезно для разработки квантовых компьютеров на основе графена и микроэлектроники нового поколения в целом.

Недавно ученые из Гарвардского университета создали самый маленький в мире радиоприемник, работающий похожим образом. NV-центры алмаза также возбуждались лазером, но в этом случае они считывали интенсивность не тока, а радиоволн. Настройка на нужную волну обеспечивалась внешним магнитным полем.

Автор: Григорий Копиев