石墨烯再登Science，操控電子流!

一、【導讀】

構成流體的粒子之間的相互作用在流體的流動中起著關鍵作用。在低密度下，粒子可以自由地進行彈道運動，例如在氣體中，收縮的電導率只取決于通道的寬度和粒子在壁上的散射，這導致了動量損失。在更高的密度下，保持動量的粒子之間的相互作用更加頻繁，并可能導致集體流動，使通過收縮區時，電導可以達到超越彈道極限的程度。當電子-電子（e-e）散射長度l_ee變得比電子-雜質和電子-聲子散射導致的動量弛豫散射長度l_mr短時，Gurzhi預測這種表現為層流的粘性流體現象也會發生在電子體系中。研究這種黏滯度的一種方法，是在物理上制造狹窄的通道讓電子流過，但這種通道的粗糙邊緣使得與理論的比較變得棘手。那么，能否有新的思路構造更有效的通道呢？

二、【成果掠影】

基于此，美國威斯康星大學麥迪遜分校Victor W. Brar教授團隊通過使用掃描隧道電位測定法探測了在石墨烯中的電子流體的納米尺度流動，研究了它們通過由平滑和可調的面內p-n結勢壘定義的通道時的行為。隨著樣品溫度和通道寬度的增加，電子流的流動經歷了從彈道到粘性狀態的轉變，其特征是通道的電導率超過了彈道極限，以及抑制了電荷在勢壘上的積累。研究結果通過二維粘性電流的有限元模擬，說明了費米液流如何隨著載流子密度、通道寬度和溫度的變化而變化。相關研究成果以題為“Imaging the breaking of electrostatic dams in graphene for ballistic and viscous fluids”發表在知名期刊Science上。

三、【核心創新點】

通過STP技術實現局部電化學電勢的成像，從而實現可視化的石墨烯流體動力學效應來直接觀察電流通過石墨烯片，并通過二維粘性電流流的有限元模擬，說明了費米液流如何隨著載流子密度、通道寬度和溫度的變化而變化。

四、【數據概覽】

圖1 電荷流成像的實驗方法示意圖 ? 2023 AAAS

（a）STP實驗裝置示意圖。

（b）同時獲取的靜電壩的形貌和LDOS。

（c）描述靜電和電化學電勢沿勢阱流動方向變化的能量圖。

（d）幾種通道條件下的靜電壩示意圖。

圖2 低溫和高溫下靜電壩附近的電化學電勢 ? 2023 AAAS

（a-d）T = 4.5 K、V_sd = 0.4 V和四個選定柵極電壓（-10、-12、-16和-18 V）下靜電壩的STP圖，按增加通道寬度的順序排列。

（e-h）第二個靜電壩在T = 77 K、V_sd = -0.4 V和四個柵極電壓（-2、-4、-6和-10 V）下的STP圖，按增加通道寬度的順序排列。

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圖3 勢壘附近的電化學電位降 ? 2023 AAAS

（a）沿著圖2a中的白色虛線，揭示了T=4.5K時的Landauer殘余電阻率偶極子（LRRD）結構。

（b）（a）中相應區域的放大圖。

（c）當電流從左向右流動時，圓形障礙物周圍LRRD的預測靜電勢。

（d）（c）中不同e-e散射長度的靜電勢的歸一化圖案，并與（b）中數據對比。

（e）T=4.5 K時，沿圖2a中藍色虛線的數據。

（f）T=77 K時，沿圖2e中藍色虛線的數據。

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圖4 通道電導率和提取的e-e散射長度 ? 2023 AAAS

（a）在低溫（藍色，4.5K）和高溫（紅色，77K）下從STP數據中獲得的通道電導率。

（b）從紅色（77K）數據點和（a）中的虛線擬合中提取的e-e散射長度。

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圖5 有限元模型 ? 2023 AAAS

（a-b）箭頭顯示電流密度的流線，彩色圖顯示電流密度的大小。

（c-d）分別對應于（a）和（b）中的粘性和歐姆容器的電流引起的靜電勢。

五、【成果啟示】

當電子-電子碰撞超過與缺陷和其它電阻源的碰撞時，導體中的電子流會變得粘稠。在這項工作中，研究人員使用STP揭示了通過石墨烯狹窄通道的超導體電導，以及由于局部載流子積累而在彈道和粘性制度下形成的局部偶極子，這些結果提供了對流體力學費米流體的電子輸運的深入了解。在粘性狀態下，由面內偶極子的總和產生的總電壓降自然比在彈道狀態下小，從而導致粘性情況下的總電導率更高。這些測量也為分析更復雜的流動模式提供了一個思路，這些模式被設計為表現出奇異效應，如非互易性流動。同時，亞微米級的圖像可用于可視化原子傳輸特征，這些特征預計會沿著晶界和缺陷附近發生。

原文詳情：Imaging the breaking of electrostatic dams in graphene for ballistic and viscous fluids (Science 2023, 379, 671-676)

本文由賽恩斯供稿。