石墨烯最新Science

高遷移率導體中的電子相互作用可以產生類似于經典流體力學所描述的輸運特征。流體動力學電子輸運的初步理論工作預測，金屬絲中的電阻率會隨著溫度的升高而降低。這種效應被稱為Gurzhi效應，首先在Ga[Al]As異質結構中得到了實驗證明。流體動力學輸運的其他特征包括粘性霍爾效應、超彈道傳導、無朗道爾-沙文電阻的流動、通道中的泊澤維爾流動、和斯托克斯繞障礙物流動。流體動力學理論最顯著的預測之一是靜止渦流的形成，這已被電流回流引起的負阻力測量間接證實。最近，通過直接成像顯示，在低溫下，雙碲化鎢(WTe₂)中存在準流體動力渦旋。雖然該系統中的輸運是由流體力學理論描述的，但觀測到的渦旋并非源于電子-電子相互作用。真正的電子-流體動力渦旋雖然被廣泛期待，但實現起來仍然具有挑戰性。如果電子之間的碰撞占主導地位，而不是與樣品中的雜質和晶格激發的碰撞，則導體中的電子輸運可以顯示出類似流體流動的特性。這種流體動力機制的特征已經在石墨烯中被發現，但是靜止渦流——流體動力流動理論的預測，仍然很難觀察到。

近日，蘇黎世聯邦理工學院物理系Christian L. Degen教授團隊在Science期刊上發表題為“Observation of current whirlpools in graphene at room temperature”的研究論文。該項研究利用納米級掃描磁力計，在室溫下對單層石墨烯器件中的一種獨特的流體動力學輸運模式——靜態電流漩渦進行了成像。通過測量不同特征尺寸的裝置，觀察到電流渦旋的消失，從而驗證了流體動力學模型的預測。此外，研究還發現，在空穴和電子主導的傳輸區域中都存在渦旋流動，但在雙極性區域中消失，這歸因于接近電荷中性時旋度擴散長度的減少。這項工作展示了局部成像技術在揭示奇異介觀輸運現象方面的強大能力。

圖1掃描實驗示意圖? 2024 AAAS

圖2觀察電流漩渦? 2024 AAAS

圖3磁盤大小決定傳輸機制? 2024 AAAS

圖4 Gurzhi長度的載流子依賴性? 2024 AAAS

實驗表明，在l_mr>l_ee的高遷移率材料中，可以觀察到由電子-電子相互作用介導的流體動力漩渦。與泊澤維爾流(Poiseuille flow)等其他特征相比，電流方向的逆轉是流體動力學輸運的一個明顯空間特征。此外，與觀察通過收縮的流體動力學流動所需的中間溫度(T ? 200 K)不同，該項研究在室溫下發現了清晰的流體動力學特征，這可能是因為實驗設備的幾何形狀更小。雖然在彈道狀態下也可能出現類似漩渦的特征，但這在該項研究中是不太可能的，原因有以下幾點：首先，為了受彈道效應的支配，l_ee需要與磁盤直徑相當或更大，而該研究實驗觀測到電流漩渦的最大磁盤直徑為2R≈ 2mm。這個值比以前報道的在室溫下的l_ee 約0.1 ~ 0.25 μm大一個數量。其次，彈道狀態下的渦旋流動模式，雖然是可能的，但預計會偏離流體動力學模型的預測。然而，研究人員觀察到該實驗數據與流體動力學模擬之間的詳細一致性。由于流體力學模式可平穩過渡到彈道模式，因此對于最小的圓盤（R?0.6mm）來說，不能排除彈道對流動模式的微小貢獻。

需要更詳細地研究邊界散射的性質，特別是考慮到觀察到的電子-空穴不對稱現象。該項研究數據表明，一些邊緣缺陷可能只影響單一載流子類型的輸運，這可能是邊緣摻雜造成的。需要做更多的工作來衡量使用單一參數(滑移長度l_b)的簡單邊界條件是否足以描述這些影響。相應的實驗研究將受益于更低的溫度（滑移長度更大）或更小的器件尺寸（邊界效應更突出）。未來的研究除了單層石墨烯，雙層石墨烯是下一個候選材料，因為隨著載流子密度的急劇上升，更低的粘度，以及在電荷中性附近潛在的主導電子-空穴碰撞，這些顯著地改變了輸運物理學。盡管雙層石墨烯已被證明具有流體動力學輸運機制，但迄今為止尚未通過掃描方法進行驗證。此外，還可以使用NV（氮-空位）中心通過弛豫測量來成像非線性流體動力學效應，如預湍流和湍流。

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj2167