石墨烯再登Science，操控电子流!

一、【导读】

构成流体的粒子之间的相互作用在流体的流动中起着关键作用。在低密度下，粒子可以自由地进行弹道运动，例如在气体中，收缩的电导率只取决于通道的宽度和粒子在壁上的散射，这导致了动量损失。在更高的密度下，保持动量的粒子之间的相互作用更加频繁，并可能导致集体流动，使通过收缩区时，电导可以达到超越弹道极限的程度。当电子-电子（e-e）散射长度l_ee变得比电子-杂质和电子-声子散射导致的动量弛豫散射长度l_mr短时，Gurzhi预测这种表现为层流的粘性流体现象也会发生在电子体系中。研究这种黏滞度的一种方法，是在物理上制造狭窄的通道让电子流过，但这种通道的粗糙边缘使得与理论的比较变得棘手。那么，能否有新的思路构造更有效的通道呢？

二、【成果掠影】

基于此，美国威斯康星大学麦迪逊分校Victor W. Brar教授团队通过使用扫描隧道电位测定法探测了在石墨烯中的电子流体的纳米尺度流动，研究了它们通过由平滑和可调的面内p-n结势垒定义的通道时的行为。随着样品温度和通道宽度的增加，电子流的流动经历了从弹道到粘性状态的转变，其特征是通道的电导率超过了弹道极限，以及抑制了电荷在势垒上的积累。研究结果通过二维粘性电流的有限元模拟，说明了费米液流如何随着载流子密度、通道宽度和温度的变化而变化。相关研究成果以题为“Imaging the breaking of electrostatic dams in graphene for ballistic and viscous fluids”发表在知名期刊Science上。

三、【核心创新点】

通过STP技术实现局部电化学电势的成像，从而实现可视化的石墨烯流体动力学效应来直接观察电流通过石墨烯片，并通过二维粘性电流流的有限元模拟，说明了费米液流如何随着载流子密度、通道宽度和温度的变化而变化。

四、【数据概览】

图1电荷流成像的实验方法示意图© 2023 AAAS

（a）STP实验装置示意图。

（b）同时获取的静电坝的形貌和LDOS。

（c）描述静电和电化学电势沿势阱流动方向变化的能量图。

（d）几种通道条件下的静电坝示意图。

图2低温和高温下静电坝附近的电化学电势© 2023 AAAS

（a-d）T= 4.5 K、V_sd= 0.4 V和四个选定栅极电压（-10、-12、-16和-18 V）下静电坝的STP图，按增加通道宽度的顺序排列。

（e-h）第二个静电坝在T= 77 K、V_sd= -0.4 V和四个栅极电压（-2、-4、-6和-10 V）下的STP图，按增加通道宽度的顺序排列。

图3势垒附近的电化学电位降© 2023 AAAS

（a）沿着图2a中的白色虚线，揭示了T=4.5K时的Landauer残余电阻率偶极子（LRRD）结构。

（b）（a）中相应区域的放大图。

（c）当电流从左向右流动时，圆形障碍物周围LRRD的预测静电势。

（d）（c）中不同e-e散射长度的静电势的归一化图案，并与（b）中数据对比。

（e）T=4.5 K时，沿图2a中蓝色虚线的数据。

（f）T=77 K时，沿图2e中蓝色虚线的数据。

图4通道电导率和提取的e-e散射长度© 2023 AAAS

（a）在低温（蓝色，4.5K）和高温（红色，77K）下从STP数据中获得的通道电导率。

（b）从红色（77K）数据点和（a）中的虚线拟合中提取的e-e散射长度。

图5有限元模型© 2023 AAAS

（a-b）箭头显示电流密度的流线，彩色图显示电流密度的大小。

（c-d）分别对应于（a）和（b）中的粘性和欧姆容器的电流引起的静电势。

五、【成果启示】

当电子-电子碰撞超过与缺陷和其它电阻源的碰撞时，导体中的电子流会变得粘稠。在这项工作中，研究人员使用STP揭示了通过石墨烯狭窄通道的超导体电导，以及由于局部载流子积累而在弹道和粘性制度下形成的局部偶极子，这些结果提供了对流体力学费米流体的电子输运的深入了解。在粘性状态下，由面内偶极子的总和产生的总电压降自然比在弹道状态下小，从而导致粘性情况下的总电导率更高。这些测量也为分析更复杂的流动模式提供了一个思路，这些模式被设计为表现出奇异效应，如非互易性流动。同时，亚微米级的图像可用于可视化原子传输特征，这些特征预计会沿着晶界和缺陷附近发生。

原文详情：Imaging the breaking of electrostatic dams in graphene for ballistic and viscous fluids(Science2023,379, 671-676)

本文由赛恩斯供稿。