チューリッヒ工科大学（ETH Zurich）の研究者たちが、高解像度の磁場センサーを用いて、グラフェン中の電子がどのように渦を形成するかを室温で検出することに成功した。このような温度で電子の渦を検出したのは初めての事だ。
通常の金属線のような電気導体は、バッテリーが作り出す電場によって加速され、他の電気導体に接続される。移動する電子は、しばしば線の結晶格子内の空孔や不純物原子に衝突し、運動エネルギーの一部を格子振動に変換する。この過程で熱が生成され、例えば白熱電球に触れる事で感じることができる。
電子同士の衝突は、格子不純物との衝突に比べてはるかに少ない。しかし、グラフェン（蜂の巣状に配列された炭素原子の単層）が通常の鉄や銅の線の代わりに使用されると、状況は変わる。グラフェンでは不純物との衝突が少なく、電子同士の衝突が主である。この状況では、電子は粘性液体のように振る舞う。そのため、グラフェン層は渦のようなよく知られた流れ現象を経験するはずだと研究者らは考えた。
しかし、それが起こりうると仮定する事と、実際にそれを見ることは全く別物である。仮説が実証できて初めて理論が形成される。そこで、この電子の渦を検出するため、研究者たちは高解像度の磁場センサーを使用する必要があった。この装置により、電子の振る舞いを追跡することができた。通常、渦は非常に低温で最もよく見えるが、この装置は常温でもそれを観察するのに十分であった。グラフェンでこれらの電子渦を見たことはこれまでなかった。
渦を観察することは、電子の動きを詳細に観察することを意味する。研究者たちは、グラフェン中を流れる電子が生成する小さな磁場を追跡した。
実験対象の設定は次のようになっていた：幅1ミクロンのグラフェンのストリップが、直径1.2ミクロンまたは3ミクロンの円盤に取り付けられた。理論的計算によれば、小さい円盤では渦が現れるが、大きい方では現れないことが示唆されている。
「我々の非常に敏感なセンサーと高い空間分解能のおかげで、グラフェンを冷却することなく常温で実験を行うことができました」と、チューリッヒ工科大学のMarius Palm博士は声明で述べた。
測定中、科学者たちは、予測された渦の小さい円盤でのみ見られる特徴的な電子の流れの反転を観察した。渦が発生すると、円盤内の流れ方向が逆転するが、通常の（拡散的な）電子輸送では、ストリップと円盤内の電子は同じ方向に流れる。大きい方では、電子は問題なく流れていた。
磁気センサーは、先端に欠陥があるダイヤモンド針（窒素空孔として知られる）である。レーザー光線とマイクロ波パルスを使用することで、この針は外部磁場に対して非常に敏感になる。しかし、電子の磁場を捉えるためには、グラフェンのストリップに非常に近接している必要がある。
「ダイヤモンド針の非常に小さい寸法とグラフェン層からの小さい距離（約70ナノメートル）のおかげで、100ナノメートル未満の分解能で電子電流を可視化することができました」とPalm博士は説明した。
100ナノメートルは、幅1ミクロン（または1,000ナノメートル）のストリップに対して驚異的な解像度には思えないかもしれない。しかし、この研究の重要な出発点である。渦の振る舞いや原因についてはまだ多くのことが解明されていないが、それを見ることができることが最初のステップである。
「現時点では、電子渦の検出は基礎研究であり、多くの未解決の問題が残っています」とPalm博士は付け加えた。
論文
参考文献
- ETH Zurich: Electron vortices in graphene detected
研究の要旨
高移動度伝導体における電子-電子相互作用は、古典的流体力学で記述されるものに似た輸送シグネチャーを生じさせることがある。ナノスケールの走査型磁力計を用いて、室温における単層グラフェンデバイスの特徴的な流体力学的輸送パターンである定常電流渦を画像化した。デバイスのサイズが大きくなるにつれて、電流渦が消失することを観測し、流体力学モデルの予測を検証した。さらに、正孔および電子が支配的な輸送領域では渦流が存在するが、両極性領域では渦流が消失することも確認した。この効果は、電荷中性付近での渦度拡散長の減少によるものである。我々の研究は、エキゾチックなメゾスコピック輸送現象を明らかにする局所イメージング技術の威力を示すものである。
コメント