Usando um sensor de campo magnético (seta vermelha) dentro de uma agulha de diamante, pesquisadores da ETH criaram imagens de vórtices de elétrons em uma camada de grafeno (azul). Crédito: Chaoxin Ding
Pesquisadores da ETH Zurique tornaram, pela primeira vez, visível como os elétrons formam vórtices em um material à temperatura ambiente. Seu experimento usou um microscópio de detecção quântica com resolução extremamente alta.
- Em grafeno, os elétrons se comportam como um líquido. Isto pode levar à formação de vórtices.
- Esses vórtices de elétrons agora se tornaram visíveis usando um sensor de campo magnético quântico com alta resolução espacial.
- Normalmente, os fenómenos de transporte são mais facilmente detectados a baixas temperaturas. Graças ao seu sensor altamente sensível, os pesquisadores da ETH conseguiram observar vórtices mesmo à temperatura ambiente.
Quando um condutor elétrico comum – como um fio metálico – é conectado a uma bateria, os elétrons no condutor são acelerados pelo campo elétrico criado pela bateria. Enquanto se movem, os elétrons freqüentemente colidem com átomos de impureza ou lacunas na rede cristalina do fio e convertem parte de sua energia motriz em vibrações da rede. A energia perdida neste processo é convertida em calor que pode ser sentido, por exemplo, ao tocar numa lâmpada incandescente.
Embora as colisões com impurezas da rede ocorram com frequência, as colisões entre elétrons são muito mais raras. A situação muda, porém, quando o grafeno, uma única camada de átomos de carbono dispostos em uma rede alveolar, é usado em vez de um fio comum de ferro ou cobre. No grafeno, as colisões de impurezas são raras e as colisões entre elétrons desempenham o papel principal. Neste caso, os elétrons se comportam mais como um líquido viscoso. Portanto, fenômenos de fluxo bem conhecidos, como vórtices, deveriam ocorrer na camada de grafeno.
Reportagem na revista científica Ciênciapesquisadores da ETH Zurique, no grupo de Christian Degen, conseguiram pela primeira vez detectar diretamente vórtices de elétrons no grafeno, usando um sensor de campo magnético de alta resolução.
Microscópio de detecção quântica altamente sensível
Os vórtices formaram-se em pequenos discos circulares que Degen e seus colegas anexaram durante o processo de fabricação a uma tira condutora de grafeno com apenas um micrômetro de largura. Os discos tinham diâmetros diferentes entre 1,2 e 3 micrômetros. Cálculos teóricos sugeriram que os vórtices de elétrons deveriam se formar nos discos menores, mas não nos discos maiores.
Para tornar os vórtices visíveis, os pesquisadores mediram os minúsculos campos magnéticos produzidos pelos elétrons que fluem dentro do grafeno. Para esse propósito, eles usaram um sensor de campo magnético quântico que consiste no chamado centro de vacância de nitrogênio (NV) embutido na ponta de uma agulha de diamante. Sendo um defeito atômico, o centro NV se comporta como um objeto quântico cujos níveis de energia dependem de um campo magnético externo. Usando feixes de laser e pulsos de microondas, os estados quânticos do centro podem ser preparados de forma a serem sensíveis ao máximo aos campos magnéticos. Ao ler os estados quânticos com um laser, os pesquisadores puderam determinar a intensidade desses campos com muita precisão.
“Devido às pequenas dimensões da agulha de diamante e à pequena distância da camada de grafeno – apenas cerca de 70 nanômetros – conseguimos tornar as correntes de elétrons visíveis com uma resolução de menos de cem nanômetros”, diz Marius Palm, ex- Doutorando no grupo de Degen. Esta resolução é suficiente para ver os vórtices.
Direção de fluxo invertida
Em suas medições, os pesquisadores observaram um sinal característico dos vórtices esperados nos discos menores: uma inversão da direção do fluxo. Enquanto no transporte normal (difusivo) de elétrons, os elétrons na tira e no disco fluem na mesma direção, no caso de um vórtice, a direção do fluxo dentro do disco é invertida. Conforme previsto pelos cálculos, nenhum vórtice pôde ser observado nos discos maiores.
“Graças ao nosso sensor extremamente sensível e à alta resolução espacial, nem precisamos resfriar o grafeno e conseguimos realizar os experimentos em temperatura ambiente”, diz Palm. Além disso, ele e seus colegas não detectaram apenas vórtices de elétrons, mas também vórtices formados por portadores de buracos. Ao aplicar uma voltagem elétrica abaixo do grafeno, eles alteraram o número de elétrons livres de tal forma que o fluxo de corrente não era mais transportado por elétrons, mas sim por elétrons ausentes, também chamados de buracos. Somente no ponto de neutralidade de carga, onde existe uma concentração pequena e equilibrada de elétrons e buracos, os vórtices desapareceram completamente.
“Neste momento, a detecção de vórtices de elétrons é uma pesquisa básica e ainda há muitas questões em aberto”, diz Palm. Por exemplo, os investigadores ainda precisam de descobrir como as colisões dos eletrões com as fronteiras do grafeno influenciam o padrão de fluxo e que efeitos estão a ocorrer em estruturas ainda mais pequenas. O novo método de detecção usado pelos pesquisadores da ETH também permite observar mais de perto muitos outros efeitos exóticos do transporte de elétrons em estruturas mesoscópicas – fenômenos que ocorrem em escalas de comprimento de várias dezenas de nanômetros até alguns micrômetros.
Referência: “Observação de redemoinhos atuais no grafeno à temperatura ambiente” por Marius L. Palm, Chaoxin Ding, William S. Huxter, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe e Christian L. Degen, 25 de abril de 2024, Ciência.
DOI: 10.1126/science.adj2167
