Van grafeen wordt verwacht dat het zich gedraagt ​​als een kwantumkritische, relativistisch plasma bekend als "Dirac-vloeistof" in de buurt van ladingsneutraliteit waarin massaloze elektronen en gaten snel botsen. In een recente studie die nu is gepubliceerd in Wetenschap , Patrick Gallagher en medewerkers van de afdelingen natuurkunde en materiaalkunde in de VS, Taiwan, China en Japan gebruikten on-chip terahertz-spectroscopie en maten voor het eerst de frequentieafhankelijke optische geleidbaarheid van grafeen tussen 77 K en 300 K elektronentemperaturen. Aanvullend, de wetenschappers observeerden de kwantumkritische verstrooiingssnelheid die kenmerkend is voor de Dirac-vloeistof. Bij hogere doping Gallagher et al. ontdekte twee verschillende stroomvoerende modi met nul en niet-nul totale momenta als een manifestatie van relativistische hydrodynamica.

Het werk onthulde de kwantumkritiek van het materiaal waarin elke site zich in een kwantumsuperpositie van orde en wanorde bevindt (vergelijkbaar met de hypothetische kat van Schrödinger in een kwantumsuperpositie van 'dood' en 'levend') en de ongebruikelijke dynamische excitatie in grafeen bijna geladen neutraliteit. Natuurkundigen beschouwen kwantumrelativistische effecten in de experimentele systemen die de gecondenseerde materie beïnvloeden, te klein voor nauwkeurige beschrijving door de niet-relativistische vergelijking van Schrödinger. Als resultaat, eerdere studies hebben gerapporteerd over experimentele systemen van gecondenseerde materie zoals grafeen (een enkele atomaire laag koolstof) waarin elektronentransport werd bepaald door de (relativistische) vergelijking van Dirac.

Landau's theorie van de Fermi-vloeistof definieert elektroneninteracties van een typisch metaal als een ideaal gas van niet-interagerende quasideeltjes. In monolaag grafeen, deze beschrijving is niet van toepassing vanwege de structuur van lineair dispergerende banden en minimaal gescreende Coulomb-interacties. Bijna ladingsneutraliteit, Van grafeen wordt dus verwacht dat het een "Dirac-vloeistof, " wat een kwantumkritisch plasma is van elektronen en gaten die worden beheerst door relativistische hydrodynamica. In licht gedoteerd grafeen, een verrassend gevolg van relativistische hydrodynamica is dat stroom door twee verschillende modi kan worden gedragen; met nul en niet-nul totale momenta, in sommige onderzoeken ook wel "energiegolven" en "plasmonen" genoemd.

Naarmate de doping toenam, het gewicht van de nul-momentum modus zou naar verwachting afnemen, terwijl die van de eindige-momentummodus toenam om soepel over te gaan van Dirac-vloeistof naar Fermi-vloeistofgedrag. Eerdere experimenten met schone, monolaag grafeen heeft de fysica van vele lichamen aangetoond in grafeen, met voorbeelden, waaronder studies over laagfrequente transportverschijnselen die consistent zijn met hydrodynamische beschrijvingen. Aanvullende experimenten wezen op overtreding van de Wiedemann-Franz-wet - als een handtekening van de Dirac-vloeistof en als direct bewijs van collectieve beweging in een kwantumelektronische vloeistof, en de viskeuze stroom van elektronen. Hoewel elektron-gatbotsingen hebben aangetoond dat ze de geleidbaarheid in ladingsneutraal dubbellaags grafeen beperken, de directe waarneming van kwantumkritische geleidbaarheid van de Dirac-vloeistof is ongrijpbaar gebleven.

Experimenteel, tijddomein terahertz-spectroscopie is een ideale sonde over een breed frequentiebereik om kwantumkritische geleidbaarheid te observeren, maar het gebruik van het apparaat is beperkt tot films met een groot oppervlak van lagere kwaliteit, waarbinnen de vloeistoffysica van Dirac wordt verduisterd. In het huidige werk, daarom, Gallagher et al. maakte gebruik van de subgolflengte-opsluiting van een coplanaire golfgeleider om de terahertz optische geleidbaarheid van grafeen te meten, op een schaal van tien micron dikte, ingekapseld in hexagonaal boornitride (HBN). Ze gebruikten de experimentele opstelling om de geleidbaarheid van het materiaal te meten bij elektronentemperaturen (T _e ) variërend tussen 77 en 300 K om de kwantumkritische verstrooiingssnelheid in de buurt van ladingsneutraliteit te bevestigen. De wetenschappers toonden ook het naast elkaar bestaan ​​​​van nul- en eindige-momentum-modi bij niet-nul-doping.

In de proefopstelling is Gallagher et al. gebruikte fotogeleidende schakelaars gemaakt van halfgeleidende materialen met een levensduur van ongeveer één picoseconde (ps) om emissie en detectie van terahertz-pulsen te bereiken. De emitterschakelaar die contact maakte met het onderste golfgeleiderspoor was voorgespannen met een gelijkspanning. Wanneer geactiveerd door een laserpuls, de vooringenomen emitter werd zeer geleidend voor 1 ps. Het proces injecteerde een stroompuls in de coplanaire golfgeleider om te interageren met grafeen voordat een detectorschakelaar werd bereikt die beide sporen overspant. In praktijk, de wetenschappers verkregen minder ruis door de lengte van het optische pad te regelen en de stroom te detecteren, om het tijddomeinprofiel van de verzonden spanningspuls (dV/dt) te meten.

Na het optimaliseren van de experimentele omstandigheden, de wetenschappers onderzochten eerst de optische geleidbaarheid van de Fermi-vloeistof bij 77 K (T ₀ ). De uitgezonden golfvormen bevatten scherpe, sub-picoseconde kenmerken die zich ontwikkelden met poortspanning om te resulteren in maximale transmissie bij ladingsneutraliteit. Om de optische geleidbaarheid uit de tijddomeingegevens te extraheren en de eindige-elementensimulaties te rechtvaardigen, de wetenschappers modelleerden het apparaat als een oneindig, lossless transmissielijn. Gallagher et al. vervolgens het transport met ladingsneutraliteit onderzocht door de verandering in terahertz-transmissie (∆V) te observeren door het elektronensysteem optisch te verwarmen van T ₀ =77 K tot variërende elektronentemperaturen (T _e ). Om de temperatuur in de experimentele opstelling te variëren, ze hebben de vertraging tussen de optische pomp en de terahertz-sondepuls aangepast.

Bij alle metingen de wetenschappers hebben het grafeen onder de golfgeleidersporen zwaar gedoteerd om de impedantie te minimaliseren. De geëxtraheerde verstrooiingssnelheden bij 77 K waren lager dan 0,5 en 1 THz, wat wijst op zeldzame verstrooiing door wanorde en fononen, consistent met eerdere transportstudies van vergelijkbare doping; waarmee het verwachte Fermi-vloeistofgedrag van grafeen wordt bevestigd. De wetenschappers onderzochten het transport met ladingsneutraliteit door de verandering in terahertz-transmissie te observeren. Voor deze, ze verwarmden het systeem optisch en berekenden de overeenkomstige verandering in geleidbaarheid en de stroom die werd gedragen in ladingsneutraal grafeen onder experimentele omstandigheden. De waargenomen lineaire evolutie in de experimenten was een belangrijke handtekening van ladingsdragerinteracties in de kwantumkritische Dirac-vloeistof.

Op deze manier, Gallagher et al. demonstreerde op elegante wijze de kwantitatieve overeenkomst tussen de experimentele resultaten en de relativistische hydrodynamische theorie van het Dirac-vloeibare grafeen. De wetenschappers suggereerden dat grafeen relativistische verschijnselen zou moeten bevatten die niet worden waargenomen in typische elektronensystemen (waarop relativistische hydrodynamica niet van toepassing is). Bijvoorbeeld, in conventionele metalen, elektronische geluidsgolven veranderen in plasmonen of worden vernietigd door impulsrelaxatie. Echter, de nieuwe resultaten geven aan dat dergelijke golven kunnen bestaan ​​​​in ladingsneutraal grafeen als gevolg van lage wanorde en nulkoppeling met plasmonmodi. Het experimentele werk van Gallagher et al. gaf dus toegang tot de subtiele en rijke fysica van relativistische hydrodynamica van grafeen in een benchtop-experiment. Verdere experimenten kunnen in de toekomst de cyclotron-resonantie van grafeen bij hoge temperaturen onderzoeken.

© 2019 Wetenschap X Netwerk