这听起来像纯巫术：用钻石来观察无形的力量漩涡和流经精心打造的渠道。但是，这些钻石是一个现实。JQI研究员罗纳德Walsworth和量子技术中心(QTC)博士后马克苦，与其他一些机构，包括阿米尔·亚科比教授和博士后研究员托尼周在哈佛的同事，沿着已经开发出一种利用钻石看的电气难以捉摸的细节电流。

这项新技术使研究人员在微观世界地图电力的复杂运动。该小组透露，在流过异常的电流显示出该技术的潜在的石墨烯，碳层只有一个原子厚。石墨烯具有优异的电气性能，并且该技术可以帮助研究人员更好地了解石墨烯等材料，并寻找新的用途他们。

在该杂志7月22日发表的一篇文章自然，团队描述了他们基于钻石的量子传感器如何产生的石墨烯电流的图像。他们的研究结果表明，第一次，大约室温石墨烯如何能产生通过管道比电通过普通电线流得像水一样的电流细节。“了解强相互作用的量子系统，就像在我们的石墨烯实验的电流，是在凝聚态物理中心话题，”苦，论文的主要作者。“特别是，类似电子那些摩擦流体的集体行为可能会提供一键解释一些高温超导体的令人费解的性质”。

这是不容易的任务来获得材料内部的电流的一瞥。毕竟，活着的电力导线看起来与一个死线。然而，有一个电流承载导线和一个携带没有电功率之间的差不可见：一个运动电荷总是产生一个磁场。但是如果你想看到电流的细节，你需要相应地仔细观察磁场，这是一个挑战。如果您申请生硬的工具，如指南针，所有的细节被冲走，你只是测量平均行为。

Walsworth，谁也马里兰州量子技术中心大学的主任，专门从事磁场的超精确的测量。他的成功在于挥舞钻石或人造钻石更具体的量子缺陷。

钻石中的原石

“钻石实际上是以最无聊的方式排列的碳分子，”迈克尔说，他是 NBC 情景喜剧“好地方”中不朽的人物。但碳分子的有序排列并不总是那么无聊和完美。

瑕疵可以在钻石中安家，并被周围有序的结构所稳定。Walsworth 和他的团队专注于称为氮空位的缺陷，它们用两个相邻的碳原子交换一个氮原子和一个空位。

“氮空位就像一个原子或一个冻结在晶格中的离子，”沃尔斯沃思说。“除了方便地将其固定到位之外，钻石并没有太大的作用。钻石中的氮空位，就像自由空间中的原子一样，具有量子力学特性，如能级和自旋，并且它会吸收和发射光作为单独的光子。”

氮空位吸收绿光，然后发出能量较低的红光;这种现象类似于交通锥中原子的荧光，产生超亮的橙色。发出的红光的强度取决于氮空位如何保持能量，这对周围的磁场很敏感。

因此，如果研究人员在磁源附近放置一个氮空位并向钻石发出绿光，他们就可以通过分析产生的光来确定磁场。由于电流和磁场之间的关系很好理解，他们收集的信息有助于绘制电流的详细图像。

为了了解石墨烯中的电流，研究人员以两种方式使用了氮空位。

第一种方法提供了最详细的视图。研究人员将一颗含有单个氮空位的小钻石直接穿过导电通道。这个过程沿着一条穿过电流的窄线测量磁场，并揭示电流在大约 50 纳米的距离上的变化(他们研究的石墨烯通道大约有 1,000 到 1,500 纳米宽)。但是该方法非常耗时，并且保持测量对齐以形成完整图像具有挑战性。

他们的第二种方法产生了一个完整的二维快照，如上图所示，特定时刻的电流。石墨烯完全位于包含许多氮空位的金刚石片上。这种互补方法会生成更模糊的图片，但允许他们同时看到整个电流。

不是你的普通电流

研究人员使用这些工具来研究石墨烯中电流在物理学特别丰富的情况下的流动。在合适的条件下，石墨烯的电流不仅由电子产生，而且由相同数量的带正电表亲产生——通常称为空穴，因为它们代表缺失的电子。在石墨烯中，两种类型的电荷强烈相互作用并形成所谓的狄拉克流体。研究人员认为，了解相互作用对狄拉克流体行为的影响可能会揭示其他具有强相互作用的材料的秘密，如高温超导体。特别是，沃尔斯沃思及其同事想确定狄拉克流体中的电流是更像水和蜂蜜，还是更像铜中的电流。

在流体中，单个粒子相互作用很多——相互推动和拉动。这些相互作用是形成旋转涡流和物体在流体中移动的阻力的原因。具有这些相互作用的流体称为粘性流体。像蜂蜜或糖浆这样的粘稠液体会比水等稀薄的液体更粘稠。

但即使是水的粘性也足以在光滑的管道中不均匀地流动。越靠近管道边缘，水流越慢，管道中心的水流速度最快。这种特殊类型的不均匀流动称为粘性泊肃叶流，以让·莱昂纳德·玛丽·泊肃叶 (Jean Léonard Marie Poiseuille) 的名字命名，他对血液通过青蛙微小血管的研究激发了他研究液体如何流经小管的灵感。

相比之下，普通导体中的电子，如计算机和墙壁中的电线，不会发生太多相互作用。它们受导电材料内环境的影响要大得多——尤其是材料中的杂质。在个体尺度上，它们的运动更像是香水在空气中飘荡，而不是从管道中流下的水。每个电子大多做自己的事情，从一种杂质跳到另一种杂质，就像香水分子在空气分子之间跳动一样。因此，电流往往会扩散并均匀流动，一直到导体的边缘。

但在某些材料(如石墨烯)中，研究人员意识到电流的行为更像流体。它需要恰到好处的强相互作用条件和极少的杂质，才能看到泊肃叶流、涡流和其他流体行为的等效电学。

“在这个最佳位置上的材料并不多，”Ku 说。“事实证明，石墨烯就是这样一种材料。当你将大多数其他导体置于非常低的温度以减少电子与杂质的相互作用时，要么超导开始，要么电子之间的相互作用不够强。”

绘制石墨烯的电流

虽然之前的研究表明电子可以在石墨烯中粘性流动，但对于必须考虑电子和空穴之间相互作用的狄拉克流体，他们没有这样做。以前，研究人员无法获得狄拉克流体流的图像来确认细节，比如它是否是泊肃叶流。但是 Walsworth、Ku 和他们的同事引入的两种新方法产生的图像显示狄拉克流体流向石墨烯的边缘减小，就像管道中的水一样。他们还观察了室温下的粘性行为;先前石墨烯中粘性电流实验的证据仅限于较冷的温度。

该团队相信这种技术会有很多用途，Ku 有兴趣继续这方面的研究，并在他下一任特拉华大学物理学助理教授的职位上尝试使用这些技术观察新的粘性行为。除了深入了解与狄拉克流体(如高温超导体)相关的物理学之外，该技术还可以揭示其他材料中的奇异电流，并提供对量子自旋霍尔效应和拓扑超导等现象的新见解。随着研究人员更好地了解材料的新电子行为，他们也可以开发其他实际应用，例如新型微电子学。

“我们知道携带电流的东西有很多技术应用，”沃尔斯沃思说。“当你发现一种新的物理现象时，最终，人们可能会想出某种方法在技术上使用它。我们希望在未来考虑石墨烯中的粘性电流。”