首次检测到石墨烯中的电子涡旋

当普通电导体(例如金属线)连接到电池时，导体中的电子会被电池产生的电场加速。电子在运动时频繁地与导线晶格中的杂质原子或空位碰撞，并将其部分动能转化为晶格振动。此过程中损失的能量会转化为可以感觉到的热量，例如通过触摸白炽灯泡。

虽然与晶格杂质的碰撞经常发生，但电子之间的碰撞却很少见。然而，当使用石墨烯(排列成蜂窝状晶格的单层碳原子)代替普通的铁线或铜线时，情况发生了变化。

在石墨烯中，杂质碰撞很少见，电子之间的碰撞起着主导作用。在这种情况下，电子的行为更像是粘性液体。因此，众所周知的流动现象，例如涡流，应该发生在石墨烯层中。

据《科学》杂志报道，苏黎世联邦理工学院 Christian Degen 团队的研究人员现在首次使用高分辨率磁场传感器直接检测到石墨烯中的电子涡流。

高灵敏度量子传感显微镜

漩涡形成于小圆盘中，德根和他的同事在制造过程中将圆盘附着在只有一微米宽的导电石墨烯条上。这些圆盘具有 1.2 至 3 微米之间的不同直径。理论计算表明电子涡旋应该在较小的圆盘中形成，而不是在较大的圆盘中形成。

为了使涡流可见，研究人员测量了石墨烯内流动的电子产生的微小磁场。为此，他们使用了一种量子磁场传感器，该传感器由嵌入金刚石尖端的所谓氮空位(NV)中心组成。

作为一种原子缺陷，NV 中心的行为就像一个量子物体，其能级取决于外部磁场。使用激光束和微波脉冲，可以以对磁场最敏感的方式制备中心的量子态。通过用激光读出量子态，研究人员可以非常精确地确定这些场的强度。

“由于金刚石的尺寸很小，并且距石墨烯层的距离很小(仅约 70 纳米)，因此我们能够以小于 100 纳米的分辨率使电子流可见，”前研究员马吕斯·帕尔姆 (Marius Palm) 说道。博士德根小组的学生。这个分辨率足以看到漩涡。

反向流动方向

在测量中，研究人员观察到较小圆盘中预期涡流的一个特征信号：流动方向的逆转。在正常(扩散)电子传输中，带状和圆盘中的电子沿同一方向流动，在涡流的情况下，流动方向相反。正如计算所预测的那样，在较大的圆盘中观察不到涡流。

“得益于我们极其灵敏的传感器和高空间分辨率，我们甚至不需要冷却石墨烯，就能够在室温下进行实验，”帕尔姆说。此外，他和他的同事不仅检测到电子涡旋，还检测到空穴载流子形成的涡旋。

通过从石墨烯下方施加电压，他们改变了自由电子的数量，使得电流不再由电子承载，而是由缺失的电子(也称为空穴)承载。只有在电子和空穴浓度较小且平衡的电荷中性点处，涡旋才会完全消失。

“目前，电子涡流的探测还属于基础研究，仍然有很多悬而未决的问题，”帕姆说。例如，研究人员仍然需要弄清楚电子与石墨烯的碰撞是如何发生的边界的碰撞如何影响流动模式，以及在更小的结构中会发生什么影响。

苏黎世联邦理工学院研究人员使用的新检测方法还可以更仔细地观察介观结构中许多其他奇异的电子传输效应，即在几十纳米到几微米的长度尺度上发生的现象。