石墨烯最新Science

高迁移率导体中的电子相互作用可以产生类似于经典流体力学所描述的输运特征。流体动力学电子输运的初步理论工作预测，金属丝中的电阻率会随着温度的升高而降低。这种效应被称为Gurzhi效应，首先在Ga[Al]As异质结构中得到了实验证明。流体动力学输运的其他特征包括粘性霍尔效应、超弹道传导、无朗道尔-沙文电阻的流动、通道中的泊泽维尔流动、和斯托克斯绕障碍物流动。流体动力学理论最显著的预测之一是静止涡流的形成，这已被电流回流引起的负阻力测量间接证实。最近，通过直接成像显示，在低温下，双碲化钨(WTe₂)中存在准流体动力涡旋。虽然该系统中的输运是由流体力学理论描述的，但观测到的涡旋并非源于电子-电子相互作用。真正的电子-流体动力涡旋虽然被广泛期待，但实现起来仍然具有挑战性。如果电子之间的碰撞占主导地位，而不是与样品中的杂质和晶格激发的碰撞，则导体中的电子输运可以显示出类似流体流动的特性。这种流体动力机制的特征已经在石墨烯中被发现，但是静止涡流——流体动力流动理论的预测，仍然很难观察到。

近日，苏黎世联邦理工学院物理系Christian L. Degen教授团队在Science期刊上发表题为“Observation of current whirlpools in graphene at room temperature”的研究论文。该项研究利用纳米级扫描磁力计，在室温下对单层石墨烯器件中的一种独特的流体动力学输运模式——静态电流漩涡进行了成像。通过测量不同特征尺寸的装置，观察到电流涡旋的消失，从而验证了流体动力学模型的预测。此外，研究还发现，在空穴和电子主导的传输区域中都存在涡旋流动，但在双极性区域中消失，这归因于接近电荷中性时旋度扩散长度的减少。这项工作展示了局部成像技术在揭示奇异介观输运现象方面的强大能力。

图1扫描实验示意图© 2024 AAAS

图2观察电流漩涡© 2024 AAAS

图3磁盘大小决定传输机制© 2024 AAAS

图4 Gurzhi长度的载流子依赖性© 2024 AAAS

实验表明，在l_mr>l_ee的高迁移率材料中，可以观察到由电子-电子相互作用介导的流体动力漩涡。与泊泽维尔流(Poiseuille flow)等其他特征相比，电流方向的逆转是流体动力学输运的一个明显空间特征。此外，与观察通过收缩的流体动力学流动所需的中间温度(T ≲ 200 K)不同，该项研究在室温下发现了清晰的流体动力学特征，这可能是因为实验设备的几何形状更小。虽然在弹道状态下也可能出现类似漩涡的特征，但这在该项研究中是不太可能的，原因有以下几点：首先，为了受弹道效应的支配，l_ee需要与磁盘直径相当或更大，而该研究实验观测到电流漩涡的最大磁盘直径为2R≈ 2mm。这个值比以前报道的在室温下的l_ee 约0.1 ~ 0.25 μm大一个数量。其次，弹道状态下的涡旋流动模式，虽然是可能的，但预计会偏离流体动力学模型的预测。然而，研究人员观察到该实验数据与流体动力学模拟之间的详细一致性。由于流体力学模式可平稳过渡到弹道模式，因此对于最小的圆盘（R≲0.6mm）来说，不能排除弹道对流动模式的微小贡献。

需要更详细地研究边界散射的性质，特别是考虑到观察到的电子-空穴不对称现象。该项研究数据表明，一些边缘缺陷可能只影响单一载流子类型的输运，这可能是边缘掺杂造成的。需要做更多的工作来衡量使用单一参数(滑移长度l_b)的简单边界条件是否足以描述这些影响。相应的实验研究将受益于更低的温度（滑移长度更大）或更小的器件尺寸（边界效应更突出）。未来的研究除了单层石墨烯，双层石墨烯是下一个候选材料，因为随着载流子密度的急剧上升，更低的粘度，以及在电荷中性附近潜在的主导电子-空穴碰撞，这些显著地改变了输运物理学。尽管双层石墨烯已被证明具有流体动力学输运机制，但迄今为止尚未通过扫描方法进行验证。此外，还可以使用NV（氮-空位）中心通过弛豫测量来成像非线性流体动力学效应，如预湍流和湍流。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj2167