探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，导体中的电子会受到电池产生的电场的加速。在移动过程中，电子经常与导线晶格中的杂质原子或空位发生碰撞，并将其部分运动能量转化为晶格振动。在此过程中损失的能量会转化为热量，例如，通过触摸白炽灯泡就可以感觉到。

虽然与晶格杂质的碰撞经常发生，但电子之间的碰撞却少得多。然而，当使用石墨烯(一层排列成蜂窝状晶格的碳原子)代替普通的铁或铜线时，情况发生了变化。在石墨烯中，杂质碰撞很少发生，电子之间的碰撞起主导作用。在这种情况下，电子的行为更像粘性液体。因此，石墨烯层中应该会出现众所周知的流动现象，例如涡流。

据科学期刊《科学》报道，​​苏黎世联邦理工学院 Christian Degen 团队的研究人员首次利用高分辨率磁场传感器直接探测到了石墨烯中的电子涡旋。

高灵敏度量子传感显微镜

涡旋形成于小圆盘中，Degen 及其同事在制造过程中将这些小圆盘附着在宽度仅为 1 微米的导电石墨烯条上。这些圆盘的直径在 1.2 至 3 微米之间。理论计算表明，电子涡旋应该形成在较小的圆盘中，而不是较大的圆盘中。

为了使涡旋可见，研究人员测量了石墨烯内部流动的电子产生的微小磁场。为此，他们使用了一个量子磁场传感器，该传感器由所谓的氮空位 (NV) 中心组成，嵌入金刚石针的尖端。作为原子缺陷，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，可以制备中心的量子态，使其对磁场具有最大的灵敏度。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。

“由于金刚石针的尺寸非常小，与石墨烯层的距离也很小(只有大约 70 纳米)，我们能够以不到一百纳米的分辨率看到电子电流”，Degen 团队的前博士生 Marius Palm 说道。这个分辨率足以看到涡流。

反转流向

在测量中，研究人员在较小的圆盘中观察到了预期涡流的一个特征：流动方向的逆转。在正常(扩散)电子传输中，条带和圆盘中的电子以相同的方向流动，而在涡流的情况下，圆盘内的流动方向是反转的。正如计算所预测的那样，在较大的圆盘中没有观察到涡流。

“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，就可以在室温下进行实验”，Palm 说道。此外，他和同事不仅检测到了电子涡旋，还检测到了由空穴载体形成的涡旋。通过在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携带，而是由缺失的电子(也称为空穴)携带。只有在电荷中性点，电子和空穴的浓度很小且平衡，涡旋才会完全消失。

Palm 表示：“目前，电子涡旋的检测仍处于基础研究阶段，仍有许多未解决的问题。”例如，研究人员仍需要弄清楚电子与石墨烯边界的碰撞如何影响流动模式，以及在更小的结构中会产生什么影响。ETH 研究人员使用的新检测方法还允许更仔细地观察介观结构中的许多其他奇异电子传输效应——这些现象发生在从几十纳米到几微米的长度尺度上。

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