Перспективні електронні пристрої, які зараз розробляються на основі надтонких матеріалів, наприклад графена, надзвичайно чутливі до дефектів і тріщин, що викривляє протягом електричного струму. Розуміння того, як струм ведеться себе в подібних матеріалах, важливо для проектування надійного і сталого обладнання. Однак існуючі технології оцінки струму, як правило, розраховані лише на побудову загальної картини, не дозволяючи розглянути подробиці цих процесів на окремо взятих дільницях.

У новій роботі співробітники Школи фізики і Центру нейроінженеріі Мельбурнського університету описали метод, який передбачає більш точні вимірювання струму. Підхід заснований на використанні азото-замещенной вакансії ( NV-центру ), Яка утворюється в кристалічній решітці алмазу в результаті видалення одного атома вуглецю. Виникла вакансія зв'язується з сусіднім атомом азоту і задіє його валентні зв'язки. При цьому властивості такого дефекту можна порівняти з властивостями атома: їх електрони також специфічно чутливі до різних впливів, в тому числі за допомогою світла і електромагнітного поля.

Схема експериментальної установки / © Jean-Philippe Tetienne et al., Science Advances 2017

Установка, яка дозволила авторам відобразити електричний струм в графені, мала наступну структуру. На першому етапі на алмазну підкладку з азото-заміщеними вакансіями, віддаленими на 20 нанометрів від поверхні, завдали металеві контакти і шар графена, після чого підкладку встановили на мікрохвильовій резонатор. Потім на графен подавався струм, і електрони в NV-центрах, сприйнятливі до електромагнітного поля, порушувалися за допомогою мікрохвиль і лазерного випромінювання (зеленого кольору). Під дією створюваного в графені поля в азото-заміщених вакансії виникала фотолюмінісценція червоного кольору, яка фіксувалася за допомогою камер.

Таким чином, на підставі інтенсивності фотолюмінесценції, дослідникам вдалося сформувати динамічну картину перебігу струму в графені в режимі реального часу. Отримані зображення дозволили встановити значущу кореляцію між дефектами і щільністю електричного струму. За словами авторів, запропонований метод розрахований на реєстрацію струмів силою від одного мікроампера, тоді як дозвіл підсумкового зображення обмежена лише дифракційною межею . Підхід також можна поширити на інші матеріали, що може допомогти при розробці перспективної мікроелектроніки і, зокрема, квантових комп'ютерів.

Стаття опублікована в журналі Science Advances.

В кінці 2016 року фахівці Гарвардського університету представили найменший у світі радіоприймач, що працює схожим чином. Азот-заміщені вакансії в алмазі також порушували за допомогою лазера, однак в цьому випадку зчитувалася інтенсивність НЕ електричного струму, але радіохвиль.

Робота експериментальної установки в поданні художника / © David A. Broadway, Centre for Quantum Computation and Communication Technology