Science三连击:诺奖得主在石墨烯中发现量子流体!
奇物论 纳米人 2019-04-12

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图丨pixabay

授权转载自公众号:奇物论


流水无形,流动的电子呢?

 

早在1963年,科学家就假定存在一种电子流动形成的量子流体:这种量子流体来源于导电材料中的电子彼此之间的强烈相互作用,电子可以在比人类头发宽度短一百倍的尺度上像水一样流动。

 

2019年4月12日,Science连刊3篇文章,报道了石墨烯中发现量子流体的最新成果,这是魔角石墨烯之后,石墨烯领域迎来的又一重大突破!曼彻斯特大学A. K. Geim(石墨烯诺奖得主)、D. A. Bandurin团队以及加州大学伯克利分校Feng Wang团队在Science发表文章,分别独立报道了在石墨烯中实验观测到二维电子流体的现象,实验揭示了在水中无法观察到的量子流体流动,可能会产生新的量子材料和电子学。同时,斯坦福大学Andrew Lucas教授还专门发表一篇展望文章,对石墨烯量子流体及最新发现进行系统阐述。


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通过施加局部电压,石墨烯可以通过少数外部电子充电,类似于对电容器的一侧进行充电,添加的电子很容易从一个原子移动到下一个原子。由于量子效应,这些电子在低温下会快速地相互移动,当温度慢慢升高,电子开始分散开来,两个电子以两个水分子截然不同的方式发生相互反弹。在每次碰撞中,由于能量,动量和电荷都是守恒的,所以产生的电子流体的流动方式与水的流动方式大致相同。

 

一个关键的问题在于,电子必须在一系列离子之间流动。如果电子散射离子杂质或离子晶格振动,就失去动量,不能再像传统液体那样流动。在普通金属中,电子-晶格散射非常强,因此完全无法实现电子流动。只有在石墨烯这样的量子材料中,移动的电子才能够足够快地彼此散射,从而形成量子流体,以类似流体的方式穿过石墨烯。

 

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加州大学伯克利分校Feng Wang团队专注于在磁场存在下石墨烯中的电子流体,他们在垂直于石墨烯原子层的方向施加磁场,由于磁场倾向于以相同的方式(例如,顺时针方向)旋转所有移动的带电电子,所以奇偶校验对称性被破坏。研究发现,磁场在石墨烯电子流体中引起霍尔粘度的不寻常现象,违反流体动力学中常规经验,证实了之前的理论预测。

 

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由于石墨烯特有的量子物理特性,即使去除了所有多余的电子,也还会存在电子流体。在有限的温度下,集合电子系统中所包含的额外的能量可以将一些电子从价态激发成可移动的导带电子,同时产生空穴。

 

在石墨烯中,电子和空穴形成等离子体,曼彻斯特大学A. K. Geim(石墨烯诺奖得主)、D. A. Bandurin团队研究了这种电子空穴等离子体与光的相互作用。他们发现电子散射相对于电子-晶格散射的增强是产生电子流体所必需的,证实了理论预测。他们还证实,电子散射率遵循量子临界行为,就像许多非费米液体的“奇异金属”一样,散射率由温度和自然的基本常数决定。

 

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这项成果为凝聚态物理和材料科学带来了全新的可能。我们可以设计电子流体来创造新型热电材料,将电流转换为热电流(反之亦然),创造优异的介观导体,或创造太赫兹辐射来解决应用物理学在诸多工业应用中的长期挑战。

 

无论是制造微米尺度的工业电子产品,还是回答凝聚态物理中的基本问题,流体力学,量子凝聚态物理学和材料科学的交叉学科的研究人员会在未来的许多年里全力以赴。


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参考文献:

1.Patrick Gallagher, Feng Wang  et al. Quantum-criticalconductivity of the Dirac fluid in graphene. Science 2019, 364, 158-162.

https://science.sciencemag.org/content/364/6436/158

2.A. I. Berdyugin, S. G. Xu, A. K. Geim, D. A. Bandurin et al. Measuring Hallviscosity of graphene’s electron fluid. Science 2019, 364, 162-165.

https://science.sciencemag.org/content/364/6436/162

3.Andrew Lucas. An exotic quantum fluid in graphene. Science 2019, 364, 125.

https://science.sciencemag.org/content/364/6436/125

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