Los físicos espían el movimiento aleatorio de electrones con diamantes defectuosos

Los físicos espían el movimiento aleatorio de electrones con diamantes defectuosos

En algún lugar de este material hay un diamante con vacantes de nitrógeno.

En algún lugar de este material hay un diamante con vacantes de nitrógeno.

Normalmente, el ruido es algo que los científicos intentan evitar. En los experimentos de física más avanzados, el objetivo suele ser medir algo nuevo. Si alguna vez pregunta a los experimentadores por qué les tomó tanto tiempo hacer una medición, la respuesta más común es «encontrar una manera de superar el ruido».

A veces, sin embargo, el ruido se vuelve más interesante que la señal y nos dice cosas nuevas sobre el sistema físico que estamos estudiando. El estudio del ruido ciertamente no es nuevo, pero gracias a nuestro control cada vez más preciso de los sistemas cuánticos, podemos estudiarlo de una manera cada vez más precisa.

En este caso, los investigadores estudiaron el ruido de Johnson, también conocido como ruido blanco. En un metal hay un mar de electrones que son libres de moverse en constante movimiento – el hecho de que la temperatura esté por encima del cero absoluto es suficiente para mantener los electrones en movimiento. Debido a este movimiento, la densidad de electrones varía ligeramente de un lugar a otro en un momento dado. Estas fluctuaciones crean pequeñas fuerzas de atracción y repulsión que hacen que los electrones intenten neutralizar los campos. Al hacerlo, crean nuevas fluctuaciones de densidad y nuevos campos en un ciclo que se repite sin fin.

Si pudiera congelar electrones y observar la densidad como una función de la posición a lo largo de un cable, encontraría que las fluctuaciones de densidad ocurren en una amplia gama de escalas de longitud. En otras palabras, hay ondas de densidad con longitudes muy largas -la longitud del hilo, de hecho- y hay fluctuaciones de densidad con longitudes de onda más cortas. El resultado son pequeñas corrientes eléctricas que tienen componentes de frecuencia que ocurren en todas las escalas de tiempo. No puedes escapar de este ruido blanco, está en todas partes.

Todo esto, sin embargo, oculta el movimiento de los electrones individuales. Un electrón sentado en este mar sentirá una fuerza y ​​comenzará a moverse en una dirección particular. Sin embargo, el cristal metálico no es perfecto, por lo que encuentra una imperfección en el cristal: una imperfección puede ser un átomo que falta, o puede ser el límite del cristal o una variedad de otras desviaciones de la regularidad de la estructura cristalina. Cuando un electrón encuentra una imperfección, se detiene en seco (lo que contribuye a las fluctuaciones de densidad que discutimos anteriormente) antes de comenzar a derivar nuevamente en la dirección que los campos eléctricos locales le indican que vaya.

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Este comportamiento significa que cuando observa una corriente que fluye a través de un cable, se parece más al agua que fluye a través de la arena que al agua que fluye a través de una tubería.

Usa diamantes para ver la corriente

¿Cómo podrías observar este comportamiento en detalle? Resulta que usando diamantes impuros. Ya he hablado de las vacantes de nitrógeno en los diamantes. Esencialmente, a un átomo de carbono le gusta estar rodeado por otros cuatro átomos de carbono. Al nitrógeno, por otro lado, solo le gusta tener tres átomos a su alrededor. Si el nitrógeno reemplaza uno de los átomos de carbono, rechaza cruelmente a uno de sus vecinos. El electrón donado por el átomo de carbono queda encajado entre un átomo de nitrógeno frío y poco atractivo y un átomo de carbono que preferiría deshacerse de él. La naturaleza de este entorno le da al electrón una estructura de nivel de energía muy bien definida, creando lo que se llama un centro NV.

Lo que hace que el centro NV sea especial es que el estado excitado tiene una energía bastante alta, por lo que debe usar luz verde para conducir el electrón allí. Aún mejor, el estado excitado y el estado fundamental tienen dos niveles de energía adicionales asociados con la orientación del espín del electrón. La diferencia de energía entre estos niveles es muy pequeña. La probabilidad de que el electrón en estado fundamental se encuentre en uno de ellos depende mucho del campo magnético que lo rodea, lo que lo hace muy sensible a las corrientes eléctricas parásitas (que generan un campo magnético).

Esto proporciona una forma conveniente de medir pequeñas corrientes eléctricas: primero use una fuente de luz óptica para llevar el centro NV a un estado específico. Después de un breve período de tiempo, pruebe el NV Center para ver si todavía está en este estado. En este intervalo de tiempo, la corriente parásita a veces hará que cambie el estado del centro NV, lo que le indicará algo sobre el entorno local en ese momento. Después de muchas mediciones repetidas, termina con una imagen de las corrientes que fluyen cerca del centro NV.

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mira el flujo de corriente

Para poner esto en práctica, los investigadores crearon un diamante que tenía centros NV individuales ubicados justo debajo de la superficie del diamante (5-25 nm debajo de la superficie). Luego recubrieron la parte superior del diamante con plata para proporcionar una fuente local de corrientes parásitas. Luego pudieron medir las corrientes de ruido (o más precisamente, el campo magnético asociado con la corriente de ruido) para un rango de temperaturas. Estas medidas, sin embargo, no pueden entenderse por sí solas, ya que son muy locales, mientras que la corriente también está determinada por las propiedades globales de la plata.

Cuando estas medidas se combinaron con medidas de la conductividad global de la película, fue posible determinar que, como se esperaba, los electrones se comportaron como si se estuvieran difundiendo a través del metal. Es decir, los electrones rebotaban en el metal y gran parte de ese rebote ocurría en los límites entre los cristales de plata.

En un segundo experimento, los investigadores utilizaron una película de plata compuesta por un solo cristal. Para mediciones a granel, el patrón de dispersión aún coincide con las observaciones: los átomos de plata vibran, creando lugares donde los electrones pueden dispersarse. Pero a la escala del centro NV, el modelo de difusión falla (al menos a baja temperatura). En cambio, una gran parte de los electrones pasan sobre el centro NV sin dispersarse en absoluto.

Este tipo de medidas son muy útiles. Dado que el centro NV no está en contacto con el conductor, proporciona una técnica de medición más limpia, evitando los problemas asociados con las conexiones eléctricas a muy pequeña escala. Comprender el ruido y el flujo de corriente a escalas de longitud cada vez más pequeñas también puede tener relevancia tecnológica para el diseño y la fabricación de circuitos semiconductores.

La ciencia2015, DOI: 10.1126/ciencia.aaa4298

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