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這聽起來好像是純粹的巫術：使用鉆石來觀察看不見的、在精心制作的通道中回旋和流動的動力。但是這些鉆石確實是真實的，或者更具體地說是人造鉆石的量子缺陷。
       哈佛大學量子技術中心（QTC）博士后研究員Mark Ku以及其他同事，包括哈佛大學的Amir Yacoby教授和其它六位中國學者，開發出一種使用鉆石查看電子的難以捉摸細節的嶄新方法。該最新研究結果論文發表在今天的《自然》雜志上。

       這項新技術為研究人員提供了微觀世界中電的復雜運動的地圖。該團隊通過揭示在石墨烯中流動的異常電流來證明了該技術的潛力，石墨烯是僅一個原子厚的一層碳。石墨烯具有出色的電性能，該技術可以幫助研究人員更好地了解石墨烯和其他材料，并為它們找到新的用途。
       該研究論文描述了其基于金剛石的量子傳感器如何在石墨烯中產生電流的圖景。他們的研究結果首次揭示了室溫石墨烯如何產生電流及其流動的細節。如圖所示石墨烯中的電流圖片（由紅色輪廓標記），顯示了使用基于鉆石的量子傳感器成像的類似流體的流動。灰色部分是金屬電觸點阻止數據收集的地方。

       論文的第一作者Ku說，“了解強相互作用的量子系統，就像我們的石墨烯實驗中的電流一樣，是凝聚態物理的核心課題。” “特別是，電子的集體行為類似于具有摩擦的流體的集體行為，可能為解釋高溫超導體的某些令人困惑的特性提供關鍵認知。”
       了解材料內部的電流并非易事。畢竟，一根帶電的電線看上去與一根空電線完全一樣。但是，載流電線與不攜帶電力的電線之間存在看不見的區別：移動的電荷始終會產生磁場。如果想查看電流的精細細節，則需要相應地仔細觀察磁場，這是一個挑戰。

       鉆石的粗野

       Ku說：“鉆石實際上是以最無聊的方式排列的碳分子，”但是碳分子的有序排列并不總是那么無聊和完美。
       瑕疵可在鉆石中形成它們的家，并通過周圍有序的結構使其穩定。研究團隊專注于稱為氮空位的缺陷，該缺陷將相鄰的兩個碳原子換成氮原子和空位。如圖所示顯微鏡設置，用于通過磁場成像和金剛石中的氮空位來捕獲石墨烯中的電流的二維快照。在圖像中可見激發的氮空位的綠光。

       研究人員說：“氮的空位就像凍結在晶格中的原子或離子一樣。” “鉆石除了方便地固定在原地之外沒有太大作用。鉆石中的氮空位很像自由空間中的原子，具有量子力學性質，例如能級和自旋，它吸收并發射像單個光子一樣發光。”
       氮空位吸收綠光，然后以較低能量的紅光發出。發出的紅光強度取決于氮空位如何保持能量，該能量對周圍的磁場敏感。
       因此，如果研究人員將氮空位放在磁場附近，并在鉆石上發出綠光，他們就可以通過分析產生的光來確定磁場。由于電流與磁場之間的關系已被很好地理解，因此它們收集的信息有助于繪制電流的詳細圖像。
       為了了解石墨烯中的電流，研究人員以兩種方式使用了氮空位。
       第一種方法提供最詳細的視圖。研究人員在一個導電通道上直接運行一個包含單個氮空位的微小鉆石。該過程沿電流的細線測量磁場，并揭示電流在大約50納米的距離上的變化（他們研究的石墨烯通道的寬度大約為1,000至1,500納米）。但是該方法很耗時，并且使測量保持一致以形成完整的圖像具有挑戰性。
       他們的第二種方法可以生成特定時刻的電流的完整二維快照，如上圖所示。石墨烯完全擱置在含有許多氮空位的金剛石板上。這種互補方法會產生模糊的圖像，但允許他們立即查看整個電流。

       不是你想象的普通電流

       研究人員使用這些工具來研究物理條件特別豐富的情況下石墨烯中的電流流動。在適當的條件下，石墨烯的電流不僅可以由電子產生，還可以由等量的帶正電荷的表親，通常稱為空穴，因為它們代表缺失的電子所產生。在石墨烯中，兩種電荷強烈地相互作用并形成所謂的狄拉克流體。研究人員認為，了解相互作用對狄拉克流體行為的影響，可能揭示出其他具有強相互作用的材料的秘密，例如高溫超導體。特別是，研究團隊想確定狄拉克流體中的電流是更像水和蜂蜜一樣流動、還是更像銅中的電流那樣流動。
       在流體中，各個粒子相互作用很多，相互推動和拉動。這些相互作用是造成漩渦渦旋的原因，也是對在流體中流動的物體產生阻力的原因。具有這種相互作用的流體稱為粘性流體。像蜂蜜或糖漿這樣的粘稠液體會比粘稠的水粘稠得多。
       但是，即使水也足夠粘稠，無法在光滑的管道中均勻流動。水越靠近管道邊緣，流過管道中心的電流越大，速度就越慢。這種特定類型的不均勻流動稱為粘性泊蕭流（Poiseuille flow），以Jean Poiseuille的名字命名，他對青蛙中微小血管中血液流動的研究啟發了他研究流體如何流過小管的方法。
       相比之下，正常導體中的電子，如計算機和墻壁中的電線中的電子，相互作用不大。它們受導電材料內環境的影響更大，尤其是通常是材料中的雜質。從個體的角度來看，它們的運動更像是香水在空中飄動的動作，而不是水從管道中沖下來。每個電子主要做自己的事情，從一種雜質反彈到另一種雜質，就像香水分子在空氣分子之間反彈一樣。因此，電流趨于散布并均勻地流動，一直到導體的邊緣。
       但是，在某些材料，例如石墨烯中，研究人員意識到電流的行為更像流體。它僅需要正確的強相互作用條件和很少的雜質，就可以看到泊蕭流、渦旋和其他流體行為的電當量。Ku說：“在這個最佳位置上沒有很多材料。” “石墨烯就是這樣一種材料。當將大多數其他導體置于非常低的溫度下以減少電子與雜質的相互作用時，要么超導起作用，要么電子之間的相互作用不夠強。”

       繪制石墨烯電流圖

       盡管先前的研究表明電子可以在石墨烯中粘性流動，但對于狄拉克流體卻無法做到這一點，在狄拉克流體中必須考慮電子與空穴之間的相互作用。以前，研究人員無法獲得狄拉克流體流的圖像來確認細節，例如它是否是泊蕭流。但是由該研究團隊介紹的兩種新方法產生的圖像顯示，狄拉克流體流向石墨烯的邊緣減小，就像管道中的水一樣。他們還觀察到了室溫下的粘性行為。以前的實驗證據表明，石墨烯中的粘性電流僅限于較低的溫度。
       研究小組認為這項技術將有很多用途。除了提供對與狄拉克流體有關的物理學（如高溫超導體）的洞察力之外，該技術還可以揭示其他材料中的奇異電流，并為諸如量子自旋霍爾效應和拓撲超導現象提供新的見解。隨著研究人員更好地了解材料的新電子行為，他們也許還能夠開發其他實際應用，例如新型微電子。