«Квантовый» алмаз впервые отследил ток в графене

Перспективные электронные устройства, которые сейчас разрабатываются на основе сверхтонких материалов, например графена, чрезвычайно чувствительны к дефектам и трещинам, искажающим течение электрического тока. Понимание того, как ток ведется себя в подобных материалах, важно для проектирования надежного и устойчивого оборудования. Однако существующие технологии оценки тока, как правило, рассчитаны лишь на построение общей картины, не позволяя рассмотреть подробности этих процессов на отдельно взятых участках.

В новой работе сотрудники Школы физики и Центра нейроинженерии Мельбурнского университета описали метод, предполагающий более точные измерения тока. Подход основан на использовании азото-замещенной вакансии (NV-центра), которая образуется в кристаллической решетке алмаза в результате удаления одного атома углерода. Возникшая вакансия связывается с соседним атомом азота и задействует его валентные связи. При этом свойства такого дефекта сопоставимы со свойствами атома: их электроны также специфически восприимчивы к разным воздействиям, в том числе с помощью света и электромагнитного поля.

Установка, которая позволила авторам запечатлеть электрический ток в графене, имела следующую структуру. На первом этапе на алмазную подложку с азото-замещенными вакансиями, удаленными на 20 нанометров от поверхности, нанесли металлические контакты и слой графена, после чего подложку установили на микроволновой резонатор. Затем на графен подавался ток, и электроны в NV-центрах, восприимчивые к электромагнитному полю, возбуждались с помощью микроволн и лазерного излучения (зеленого цвета). Под действием создаваемого в графене поля в азото-замещенных вакансиях возникала фотолюминесценция красного цвета, которая фиксировалась посредством камер.

Таким образом, на основании интенсивности фотолюминесценции, исследователям удалось сформировать динамическую картину течения тока в графене в режиме реального времени. Полученные изображения позволили установить значимую корреляцию между дефектами и плотностью электрического тока. По словам авторов, предложенный метод рассчитан на регистрацию токов силой от одного микроампера, тогда как разрешение итогового изображения ограничено лишь дифракционным пределом. Подход также можно распространить на другие материалы, что может помочь при разработке перспективной микроэлектроники и, в частности, квантовых компьютеров.

Статья опубликована в журнале Science Advances.

В конце 2016 года специалисты Гарвардского университета представили самый миниатюрный в мире радиоприемник, работающий схожим образом. Азот-замещенные вакансии в алмазе также возбуждали с помощью лазера, однако в этом случае считывалась интенсивность не электрического тока, но радиоволн.