科學家在石墨烯中發現奇異的量子流體

編譯 費文緒

在適當的條件下，電子在石墨烯中可以像流體一樣流動。

流水無形，能繞過障礙物，并且在流動中施加力。然而，像水這樣的傳統液體只是很多流體的一種。幾十年前，科學家就假定存在一種電子流動形成的量子流體，但直到最近科學家才觀察到：這種量子流體來源于導電材料中的電子彼此之間的強相互作用，使得電子可以在比人類頭發絲細100倍的尺度上像水一樣流動。貝爾迪尤金（Berdyugin）等人和加拉格爾（Gallagher）等人分別在石墨烯（由厚度只有一個原子的碳原子層組成蜂巢晶格的二維碳納米材料）中，實驗觀測到二維電子流體，實驗揭示了在水中無法觀察到的量子流體流動。實驗結果可能會產生新型量子材料和電子器件。

通過施加局部電壓，石墨烯可以帶上少量額外的電子，類似于對電容器的一側進行充電。添加的電子很容易從一個原子移動到下一個原子。在低溫下，由于量子效應，這些電子相互移動；但是在更高的溫度下，電子開始彼此分散。兩個電子相互反彈的方式與兩個水分子截然不同。不過在每次碰撞中，因為能量、動量和電荷（類似于分子量）都是守恒的，所以產生的電子流體的流動方式與水的流動方式大致相同。

然而，有一個至關重要的問題在于：與水分子不同，電子必須在一系列離子之間流動。如果電子散射離子雜質或離子晶格振動，就會失去動量，不再像傳統液體那樣流動。在普通金屬中，電子-晶格散射非常強，因此完全無法實現像水流那樣的電子流動。因為材料科學的進步，科學家才制造出石墨烯這樣的量子材料，其中移動的電子只要能夠相互散射的足夠快，就會形成量子流體。

貝爾迪尤金等人在垂直于石墨烯原子層的方向施加磁場，進而研究存在磁場情況下石墨烯中的電子流體。因為磁場傾向于以相同的方式（例如，順時針方向）旋轉所有移動的帶電電子，所以出現宇稱對稱性破缺。二維對稱性破缺流體，無論它們是由大的手性分子薄膜組成，還是由磁場中小的量子電子組成，都具有霍爾黏度。

要理解霍爾黏度的影響，可以考慮在剛性表面上流動的黏性流體。普通剪切黏度隨著流體流動而拉動表面；但是，霍爾黏度將表面從流動中拉入或拉出。通過探測電子流體如何在變化的溫度和磁場中從一個點流到另一個點，貝爾迪尤金等人發現：磁場在石墨烯電子流體中引起霍爾黏度，與理論預測一致。他們的研究清晰證明了流體力學的這種不尋?，F象。

由于石墨烯特有的量子物理特性，即使去除了所有多余的電子，也還會存在電子流體。在有限的溫度下，集合電子系統包含一些額外的能量，可以把一些電子從價態激發成移動的導電電子，同時產生一些缺少電子的原子，這些缺失的電子看起來像帶正電的物體一樣移動，即產生空穴。

在石墨烯中，電子和空穴形成等離子體，遵循類似于熱夸克和膠子形成的相對論性等離子體遵循的方程。加拉格爾等人通過研究電子-空穴等離子體與光的相互作用，來研究這種電子-空穴等離子體。他們證實了現有的理論預測，并發現：電子散射相對電子-晶格散射的增強是產生電子流體所必需的。他們還證實，電子散射率遵循量子臨界行為，就像許多非費米液體的“奇異金屬”一樣，其散射率由溫度和自然界的基本常數決定。

將來可以設計電子流體來創造熱電材料，這能有效地將電流轉換為熱流（反之亦然），創造優質的介觀導體，或產生和檢測太赫茲輻射，來解決應用物理學在諸多工業應用中的長期挑戰。與石墨烯不同，結構更復雜并且有對稱性的晶體可能會產生新型流體，具有新型的黏度和意想不到的流體流動模式。此外，石墨烯中電子-空穴等離子體的快速散射率表明，它與其他強相互作用的量子材料的物理有關。無論是制造微米尺度的工業電子器件還是回答凝聚態物理中的基本問題，處于流體力學、量子凝聚態物理學和材料科學交叉領域的科研人員很可能在未來很多年中，需要全力以赴來解決這些問題。