Pusaran Elektron Tersembunyi Graphene Terungkap Melalui Penginderaan Kuantum

Para peneliti di ETH Zurich, untuk pertama kalinya, menunjukkan bagaimana elektron membentuk pusaran dalam suatu material pada suhu kamar. Eksperimen mereka menggunakan mikroskop penginderaan kuantum dengan resolusi sangat tinggi.

• Dalam graphene, elektron berperilaku seperti cairan. Hal ini dapat menyebabkan terbentuknya pusaran.
• Pusaran elektron ini kini telah terlihat menggunakan sensor medan magnet kuantum dengan resolusi spasial tinggi.
• Biasanya, fenomena transportasi lebih mudah dideteksi pada suhu rendah. Berkat sensornya yang sangat sensitif, peneliti ETH dapat mengamati pusaran bahkan pada suhu kamar.

Ketika konduktor listrik biasa – seperti kawat logam – dihubungkan ke baterai, elektron dalam konduktor dipercepat oleh medan listrik yang diciptakan oleh baterai. Saat bergerak, elektron sering kali bertabrakan dengan atom pengotor atau kekosongan pada kisi kristal kawat, dan mengubah sebagian energi geraknya menjadi getaran kisi. Energi yang hilang dalam proses ini diubah menjadi panas yang dapat dirasakan, misalnya dengan menyentuh bola lampu pijar.

Meskipun tumbukan dengan pengotor kisi sering terjadi, tumbukan antar elektron lebih jarang terjadi. Namun situasinya berubah ketika graphene, satu lapisan atom karbon yang tersusun dalam kisi sarang lebah, digunakan sebagai pengganti kawat besi atau tembaga biasa. Dalam graphene, tumbukan pengotor jarang terjadi dan tumbukan antar elektron memainkan peran utama. Dalam hal ini, elektron berperilaku lebih seperti cairan kental. Oleh karena itu, fenomena aliran yang terkenal seperti vortisitas seharusnya terjadi pada lapisan graphene.

Pelaporan dalam jurnal ilmiah Sainspara peneliti di ETH Zurich dalam kelompok Christian Degen kini telah berhasil mendeteksi secara langsung pusaran elektron dalam graphene untuk pertama kalinya, menggunakan sensor medan magnet resolusi tinggi.

Mikroskop Penginderaan Kuantum Sangat Sensitif

Pusaran tersebut terbentuk dalam cakram melingkar kecil yang ditempelkan Degen dan rekan kerjanya selama proses fabrikasi ke strip graphene konduktif yang lebarnya hanya satu mikrometer. Cakram tersebut memiliki diameter berbeda antara 1,2 dan 3 mikrometer. Perhitungan teoretis menunjukkan bahwa pusaran elektron seharusnya terbentuk di piringan yang lebih kecil, tetapi tidak di piringan yang lebih besar.

Untuk membuat pusaran terlihat, para peneliti mengukur medan magnet kecil yang dihasilkan oleh elektron yang mengalir di dalam graphene. Untuk tujuan ini, mereka menggunakan sensor medan magnet kuantum yang terdiri dari pusat kekosongan nitrogen (NV) yang tertanam di ujung jarum berlian. Karena cacat atom, pusat NV berperilaku seperti objek kuantum yang tingkat energinya bergantung pada medan magnet luar. Dengan menggunakan sinar laser dan pulsa gelombang mikro, keadaan kuantum pusat dapat disiapkan sedemikian rupa agar peka terhadap medan magnet secara maksimal. Dengan membaca keadaan kuantum dengan laser, peneliti dapat menentukan kekuatan medan dengan sangat presisi.

“Karena dimensi jarum berlian yang kecil dan jarak lapisan graphene yang kecil – hanya sekitar 70 nanometer – kami mampu membuat aliran elektron terlihat dengan resolusi kurang dari seratus nanometer,” kata Marius Palm, mantan peneliti. Peneliti mahasiswa PhD di kelompok Degen. Resolusi ini cukup untuk melihat pusaran tersebut.

Arah Arus Balik

Dalam pengukurannya, para peneliti mengamati tanda karakteristik pusaran yang diperkirakan terjadi pada piringan yang lebih kecil: pembalikan arah aliran. Sedangkan pada transpor elektron normal (difusif), elektron pada strip dan piringan mengalir dalam arah yang sama, pada kasus pusaran, arah aliran pada piringan terbalik. Sesuai prediksi perhitungan, tidak ada vortisitas yang terlihat di disk yang lebih besar.

“Berkat sensor kami yang sangat sensitif dan resolusi spasial yang tinggi, kami bahkan tidak perlu mendinginkan graphene dan dapat melakukan eksperimen pada suhu kamar,” kata Palm. Selain itu, ia dan rekan-rekannya tidak hanya mendeteksi pusaran elektron, tetapi juga pusaran yang dibentuk oleh pembawa lubang. Dengan menerapkan tegangan listrik dari bawah graphene, mereka mengubah jumlah elektron bebas sedemikian rupa sehingga aliran arus tidak lagi dibawa oleh elektron, melainkan oleh elektron yang hilang, yang disebut juga lubang. Hanya pada titik netralitas muatan, di mana terdapat konsentrasi elektron dan lubang yang kecil dan seimbang, pusaran tersebut hilang sepenuhnya.

“Saat ini deteksi pusaran elektron masih merupakan penelitian dasar, dan masih banyak pertanyaan terbuka,” kata Palm. Misalnya, para peneliti masih perlu mencari tahu bagaimana tumbukan elektron dengan batas graphene mempengaruhi pola aliran, dan apa pengaruhnya terhadap struktur yang lebih kecil lagi. Metode deteksi baru yang digunakan oleh para peneliti ETH juga memungkinkan untuk melihat lebih dekat banyak efek transpor elektron eksotis lainnya dalam struktur mesoskopik – fenomena yang terjadi pada skala panjang dari beberapa puluh nanometer hingga beberapa mikrometer.

Referensi: “Pengamatan terkini arus eddy pada graphene pada suhu kamar” oleh Marius L. Palm, Chaoxin Ding, William S. Huxter, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe dan Christian L. Degen, 25 April 2024, Sains.
DOI: 10.1126/science.adj2167