p Parece pura feitiçaria:usar diamantes para observar o poder invisível girando e fluindo através de canais cuidadosamente elaborados. Mas esses diamantes são uma realidade. JQI Fellow Ronald Walsworth e Quantum Technology Center (QTC) Associado de pós-doutorado Mark Ku, junto com colegas de várias outras instituições, incluindo o professor Amir Yacoby e o pós-doutorado Tony Zhou em Harvard, desenvolveram uma maneira de usar diamantes para ver os detalhes indescritíveis das correntes elétricas. p A nova técnica oferece aos pesquisadores um mapa do intrincado movimento da eletricidade no mundo microscópico. A equipe demonstrou o potencial da técnica, revelando as correntes elétricas incomuns que fluem no grafeno, uma camada de carbono com apenas um átomo de espessura. O grafeno tem propriedades elétricas excepcionais, e a técnica pode ajudar os pesquisadores a entender melhor o grafeno e outros materiais e encontrar novos usos para eles.

p Em artigo publicado em 22 de julho na revista Natureza , a equipe descreve como seus sensores quânticos baseados em diamante produzem imagens de correntes em grafeno. Seus resultados revelados, pela primeira vez, detalhes sobre como o grafeno à temperatura ambiente pode produzir correntes elétricas que fluem mais como água através de canos do que eletricidade por fios comuns. "Compreendendo sistemas quânticos de forte interação, como as correntes em nosso experimento de grafeno, é um tópico central na física da matéria condensada, "diz Ku, o autor principal do artigo. "Em particular, comportamentos coletivos de elétrons semelhantes aos de fluidos com atrito podem fornecer uma chave para explicar algumas das propriedades intrigantes dos supercondutores de alta temperatura. "

p Não é uma tarefa fácil ter um vislumbre da corrente dentro de um material. Afinal, um fio com eletricidade é idêntico a um fio morto. Contudo, há uma diferença invisível entre um fio com corrente e outro sem energia elétrica:uma carga em movimento sempre gera um campo magnético. Mas se você quiser ver os pequenos detalhes da corrente, você precisa de um olhar correspondentemente mais próximo do campo magnético, o que é um desafio. Se você aplicar para embotar uma ferramenta, como uma bússola magnética, todos os detalhes são lavados e você apenas mede o comportamento médio.

p Walsworth, que também é o Diretor do Centro de Tecnologia Quantum da Universidade de Maryland, é especializada em medições ultraprecisas de campos magnéticos. Seu sucesso está em empunhar diamantes, ou mais especificamente imperfeições quânticas em diamantes artificiais.

p O áspero no diamante

p "Os diamantes são literalmente moléculas de carbono alinhadas da maneira mais enfadonha, "disse Michael, o ser imortal no sitcom da NBC "The Good Place". Mas o alinhamento ordenado das moléculas de carbono nem sempre é tão enfadonho e perfeito.

p As imperfeições podem se instalar nos diamantes e ser estabilizadas pelo ambiente, estrutura ordenada. Walsworth e sua equipe se concentram nas imperfeições chamadas de vacâncias de nitrogênio, que trocam dois dos átomos de carbono vizinhos por um átomo de nitrogênio e um vazio.

p "A vacância de nitrogênio atua como um átomo ou íon congelado em uma rede, "diz Walsworth." E o diamante não tem muito efeito além de prendê-lo convenientemente no lugar. Uma vacância de nitrogênio em um diamante, muito parecido com um átomo no espaço livre, tem propriedades de mecânica quântica, como níveis de energia e rotação, e ele absorve e emite luz como fótons individuais. "

p As vacâncias de nitrogênio absorvem luz verde, e então emiti-la como luz vermelha de baixa energia; esse fenômeno é semelhante à fluorescência dos átomos em cones de trânsito que criam a cor laranja extra-brilhante. A intensidade da luz vermelha emitida depende de como a vacância de nitrogênio retém energia, que é sensível ao campo magnético circundante.

p Portanto, se os pesquisadores colocarem uma lacuna de nitrogênio perto de uma fonte magnética e iluminarem o diamante com luz verde, eles poderão determinar o campo magnético analisando a luz produzida. Uma vez que a relação entre correntes e campos magnéticos é bem compreendida, as informações que coletam ajudam a pintar uma imagem detalhada da corrente.

p Para dar uma olhada nas correntes do grafeno, os pesquisadores usaram vacâncias de nitrogênio de duas maneiras.

p O primeiro método fornece a visão mais detalhada. Os pesquisadores executam um minúsculo diamante contendo uma única lacuna de nitrogênio em um canal condutor. Este processo mede o campo magnético ao longo de uma linha estreita através de uma corrente e revela mudanças na corrente em distâncias de cerca de 50 nanômetros (os canais de grafeno que eles investigaram eram cerca de 1, 000 para 1, 500 nanômetros de largura). Mas o método é demorado, e é um desafio manter as medidas alinhadas para formar uma imagem completa.

p Sua segunda abordagem produz um instantâneo bidimensional completo, como o mostrado na imagem acima, de uma corrente em um determinado instante. O grafeno repousa inteiramente em uma folha de diamante que contém muitas lacunas de nitrogênio. Este método complementar gera uma imagem mais difusa, mas permite que eles vejam toda a corrente de uma vez.

p Não é a sua corrente comum

p Os pesquisadores usaram essas ferramentas para investigar o fluxo de correntes no grafeno em uma situação com física particularmente rica. Sob as condições certas, o grafeno pode ter uma corrente que é feita não apenas de elétrons, mas de um número igual de primos carregados positivamente - comumente chamados de buracos porque representam um elétron ausente. No grafeno, os dois tipos de cargas interagem fortemente e formam o que é conhecido como fluido de Dirac. Os pesquisadores acreditam que a compreensão dos efeitos das interações sobre os comportamentos do fluido de Dirac pode revelar segredos de outros materiais com fortes interações, como supercondutores de alta temperatura. Em particular, Walsworth e colegas queriam determinar se a corrente no fluido de Dirac flui mais como água e mel, ou como uma corrente elétrica em cobre.

p Em um fluido, as partículas individuais interagem muito - empurrando e puxando umas às outras. Essas interações são responsáveis ​​pela formação de vórtices rodopiantes e pelo arrasto das coisas que se movem através de um fluido. Um fluido com esse tipo de interação é chamado de viscoso. Fluidos mais espessos como mel ou xarope que realmente se arrastam são mais viscosos do que fluidos mais finos como água.

p Mas mesmo a água é viscosa o suficiente para fluir de maneira desigual em canos lisos. A velocidade da água diminui quanto mais você se aproxima da borda do tubo com a corrente mais rápida no centro do tubo. Este tipo específico de fluxo irregular é denominado fluxo viscoso de Poiseuille, em homenagem a Jean Léonard Marie Poiseuille, cujo estudo do sangue viajando através de pequenos vasos sanguíneos em sapos o inspirou a investigar como os fluidos fluem através de pequenos tubos.

p Em contraste, os elétrons em um condutor normal, como os fios em computadores e paredes, não interage muito. Eles são muito mais influenciados pelo ambiente dentro do material condutor - frequentemente impurezas no material em particular. Na escala individual, seu movimento é mais parecido com o de um perfume flutuando no ar do que com a água escorrendo por um cano. Cada elétron faz principalmente suas próprias coisas, saltando de uma impureza para a próxima como uma molécula de perfume saltando entre as moléculas de ar. Assim, as correntes elétricas tendem a se espalhar e fluir uniformemente, todo o caminho até as bordas do condutor.

p Mas em certos materiais, como grafeno, os pesquisadores perceberam que as correntes elétricas podem se comportar mais como fluidos. Requer apenas as condições certas de fortes interações e poucas impurezas para ver os equivalentes elétricos do fluxo de Poiseuille, vórtices e outros comportamentos fluidos.

p "Não há muitos materiais neste ponto ideal, "diz Ku." Grafeno acaba por ser um desses materiais. Quando você leva a maioria dos outros condutores a uma temperatura muito baixa para reduzir as interações do elétron com as impurezas, ou a supercondutividade entra em ação ou as interações entre os elétrons simplesmente não são fortes o suficiente. "

p Mapeando as correntes do grafeno

p Embora pesquisas anteriores indicassem que os elétrons podem fluir viscosamente no grafeno, eles falharam em fazer isso para um fluido de Dirac onde as interações entre elétrons e buracos devem ser consideradas. Anteriormente, os pesquisadores não conseguiram obter uma imagem de uma corrente de fluido de Dirac para confirmar detalhes, como se fosse um fluxo de Poiseuille. Mas os dois novos métodos introduzidos por Walsworth, Ku e seus colegas produziram imagens que revelaram que a corrente do fluido Dirac diminui em direção às bordas do grafeno, como acontece com a água em um cano. Eles também observaram o comportamento viscoso à temperatura ambiente; evidências de experimentos anteriores de fluxo elétrico viscoso no grafeno foram restritas a temperaturas mais frias.

p A equipe acredita que esta técnica encontrará muitos usos, e Ku está interessado em continuar esta linha de pesquisa e tentar observar novos comportamentos viscosos usando essas técnicas em sua próxima posição como professor assistente de física na Universidade de Delaware. Além de fornecer informações sobre a física relacionada ao fluido de Dirac, como supercondutores de alta temperatura, a técnica também pode revelar correntes exóticas em outros materiais e fornecer novos insights sobre fenômenos como o efeito Hall do spin quântico e a supercondutividade topológica. E à medida que os pesquisadores entendem melhor os novos comportamentos eletrônicos dos materiais, eles podem ser capazes de desenvolver outras aplicações práticas também, como novos tipos de microeletrônica.

p "Sabemos que existem muitas aplicações tecnológicas para coisas que transportam correntes elétricas, "diz Walsworth." E quando você encontra um novo fenômeno físico, eventualmente, as pessoas provavelmente descobrirão uma maneira de usá-lo tecnologicamente. Queremos pensar sobre isso para a corrente viscosa no grafeno no futuro. "