首次检测到石墨烯中的电子涡旋

当一个普通的电导体——比如金属线——连接到电池上时，导体中的电子会被电池产生的电场加速。在移动过程中，电子经常与金属丝晶格中的杂质原子或空位碰撞，并将其部分运动能量转化为晶格振动。在这个过程中损失的能量被转化为热量，例如，通过触摸白炽灯泡可以感受到热量

虽然与晶格杂质的碰撞经常发生，但电子之间的碰撞要少得多。然而，当使用石墨烯（一层排列在蜂窝晶格中的碳原子）代替普通的铁线或铜线时，情况发生了变化

在石墨烯中，杂质碰撞很少，电子之间的碰撞起主导作用。在这种情况下，电子表现得更像粘性液体。因此，众所周知的流动现象，如涡流应该发生在石墨烯层中

据《科学》杂志报道，苏黎世联邦理工学院Christian Degen小组的研究人员首次使用高分辨率磁场传感器直接检测到石墨烯中的电子涡旋

高灵敏度量子传感显微镜

德根和他的同事在制造过程中将小圆盘连接到只有一微米宽的导电石墨烯带上，形成的漩涡。这些圆盘具有在1.2微米和3微米之间的不同直径。理论计算表明，电子涡旋应该在较小的圆盘中形成，而不是在较大的圆盘中

为了使涡流可见，研究人员测量了石墨烯内部电子流动产生的微小磁场。为此，他们使用了一种量子磁场传感器，该传感器由嵌入金刚石针尖的所谓氮空位（NV）中心组成

作为一种原子缺陷，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，可以以对磁场最大敏感的方式制备中心的量子态。通过用激光读取量子态，研究人员可以非常精确地确定这些场的强度

德根团队的前博士生Marius Palm说：“由于金刚石针的尺寸很小，与石墨烯层的距离很小，只有70纳米左右，我们能够使电子流以不到100纳米的分辨率可见。”。这个分辨率足以看到涡流

反向流动

在他们的测量中，研究人员观察到较小圆盘中预期旋涡的一个特征信号：流动方向的反向。在正常（扩散）电子输运中，条带和圆盘中的电子以相同的方向流动，而在涡旋的情况下，圆盘内的流动方向相反。正如计算所预测的那样，在较大的圆盘中没有观察到旋涡

Palm说：“由于我们的传感器非常灵敏，空间分辨率很高，我们甚至不需要冷却石墨烯，就可以在室温下进行实验。”。此外，他和他的同事不仅探测到了电子涡旋，还探测到了空穴载流子形成的涡旋

通过从石墨烯下方施加电压，他们改变了自由电子的数量，使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，旋涡才完全消失

＜p＞“目前，电子涡旋的探测是基础研究，还有很多悬而未决的问题，”Palm说。例如，研究人员仍然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发生了什么影响

ETH研究人员使用的新检测方法还允许更仔细地研究介观结构中的许多其他奇异电子传输效应&mdash；在从几十纳米到几微米的长度尺度上发生的现象