Grafen förväntas bete sig som en kvantkritisk, relativistisk plasma känd som "Dirac -vätska" nära laddningsneutralitet där masslösa elektroner och hål snabbt kolliderar. I en ny studie som nu publicerats i Vetenskap , Patrick Gallagher och medarbetare vid institutionerna för fysik och materialvetenskap i USA, Taiwan, Kina och Japan använde terahertz-spektroskopi på chip och mätte grafens frekvensberoende optiska konduktivitet mellan 77 K och 300 K elektrontemperaturer för första gången. Dessutom, forskarna observerade den kvantkritiska spridningshastigheten som är karakteristisk för Dirac-vätskan. Vid högre dopning, Gallagher et al. avslöjade två distinkta strömbärande lägen med noll och noll totalt moment som en manifestation av relativistisk hydrodynamik.

Arbetet avslöjade kvantkritiken hos materialet där varje plats befinner sig i en kvantöverlagring av ordning och oordning (liknande Schrödingers hypotetiska katt i en kvantöverlagring av "död" och "levande") och den ovanliga dynamiska excitationen i grafen nära laddning neutralitet. Fysiker anser att kvantrelativistiska effekter i de experimentella systemen som påverkar kondenserad materia är för små för en korrekt beskrivning av den icke-relativistiska Schrödingers ekvation. Som ett resultat, tidigare studier har rapporterat om experimentella kondenserade system som grafen (ett enda atomskikt av kol) där elektrontransport styrdes av Diracs (relativistiska) ekvation.

Landaus teori om Fermi-vätskan definierar elektroninteraktioner mellan en typisk metall som en idealgas för icke-interagerande kvasipartiklar. I monoskikt grafen, denna beskrivning gäller inte på grund av dess struktur av linjärt dispergerande band och minimalt screenade Coulomb -interaktioner. Nära laddningsneutralitet, grafen förväntas således vara värd för en "Dirac -vätska, "som är en kvantkritisk plasma av elektroner och hål som styrs av relativistisk hydrodynamik. I lätt dopad grafen, en överraskande konsekvens av relativistisk hydrodynamik är att ström kan bäras av två olika sätt; med noll och icke-noll totalt momenta, även kallad "energivågor" och "plasmoner" i vissa studier.

När dopningen ökade, vikten av noll-momentum-läget förväntades minska, medan den för den ändliga momentumläget ökade för att smidigt övergå från Dirac-vätska till Fermi-vätskebeteende. Tidigare experiment på ren, monoskikt grafen har visat många kroppsfysik i grafen, med exempel inklusive studier om lågfrekventa transportfenomen som överensstämmer med hydrodynamiska beskrivningar. Ytterligare experiment indikerade brott mot Wiedemann -Franz -lagen - som en signatur av Dirac -vätskan och som ett direkt bevis på kollektiv rörelse i en kvantelektronisk vätska, och det viskösa flödet av elektroner. Även om kollisioner med elektronhål har visat sig begränsa konduktiviteten i laddningsneutralt tvålagers grafen, den direkta observationen av kvantkritisk konduktivitet hos Dirac-vätskan har förblivit gäckande.

Experimentellt, tidsdomän terahertz spektroskopi är en idealisk sond över ett brett frekvensområde för att observera kvantkritisk konduktivitet, men användningen av enheten är begränsad till filmer med lägre kvalitet, inom vilken Dirac vätskefysik är skymd. I det nuvarande arbetet, därför, Gallagher et al. utnyttjade subvåglängdsbegränsningen för en samplanar vågledare för att mäta grafens terahertz optiska konduktivitet, vid tio mikron tjocklek, inkapslad i hexagonal bornitrid (HBN). De använde den experimentella installationen för att mäta materialets konduktivitet vid elektrontemperaturer (T _e ) mellan 77 och 300 K för att bekräfta den kvantkritiska spridningshastigheten nära laddningsneutralitet. Forskarna demonstrerade också att det finns noll- och ändliga momentum vid dopning utan noll.

I den experimentella inställningen, Gallagher et al. använde fotoledande omkopplare tillverkade av halvledande material med ungefär en picosekund (ps) bärarlivstid för att uppnå emission och detektering av terahertz -pulser. Emitteromkopplaren som kom i kontakt med det nedre vågledarspåret var förspänd med en likspänning. När den utlöses av en laserpuls, den partiska sändaren blev mycket ledande för 1 ps. Processen injicerade en strömpuls i den samplanära vågledaren för att interagera med grafen innan den nådde en detektoromkopplare som spänner över båda spåren. I praktiken, forskarna fick lägre brus genom att kontrollera längden på den optiska vägen och detektera strömmen, för att mäta tidsdomänprofilen för den överförda spänningspulsen (dV/dt).

Efter optimering av experimentella förhållanden, forskarna undersökte först Fermi -vätskans optiska konduktivitet vid 77 K (T ₀ ). De överförda vågformerna innehöll skarpa, sub-picosekundfunktioner som utvecklats med grindspänning för att resultera i maximal överföring vid laddningsneutralitet. För att extrahera den optiska konduktiviteten från tidsdomändata och motivera simuleringarna med ändliga element, forskarna modellerade enheten som en oändlig, förlustfri överföringsledning. Gallagher et al. undersökte sedan transport vid laddneutralitet genom att observera förändringen i terahertz -överföring (∆V) genom att optiskt värma elektronsystemet från T ₀ =77 K till varierande elektrontemperaturer (T _e ). För att variera temperaturen i den experimentella inställningen, de justerade fördröjningen mellan den optiska pumpen och terahertz -sondpulsen.

I alla mätningar, forskarna dopade kraftigt grafen under vågledarspåren för att minimera dess impedans. De extraherade spridningshastigheterna vid 77 K var under 0,5 och 1 THz, indikerar sällsynt spridning av störningar och fononer, överensstämmer med tidigare transportstudier av liknande dopning; vilket bekräftar således det förväntade Fermi -vätskebeteendet hos grafen. Forskarna undersökte transporten med laddningsneutralitet genom att observera förändringen i terahertz -överföring. För detta, de värmde optiskt systemet och beräknade motsvarande förändring i konduktivitet och strömmen som transporterades i laddningsneutral grafen under experimentella förhållanden. Den observerade linjära utvecklingen i experimenten var en nyckelsignatur för laddningsbärarinteraktioner i den kvantkritiska Dirac-vätskan.

På det här sättet, Gallagher et al. elegant demonstrerade den kvantitativa överensstämmelsen mellan experimentella resultat och relativistisk hydrodynamisk teori om Dirac -vätskegrafen. Forskarna antydde att grafen ska vara värd för relativistiska fenomen som inte observeras i typiska elektronsystem (för vilka relativistisk hydrodynamik inte gäller). Till exempel, i konventionella metaller, elektroniska ljudvågor förvandlas antingen till plasmoner eller förstörs av momentumavslappning. Dock, de nya resultaten indikerar att sådana vågor kan existera i laddningsneutral grafen till följd av låg störning och nollkoppling till plasmonlägen. Det experimentella arbetet av Gallagher et al. gav sålunda tillgång till den subtila och rika fysiken för relativistisk hydrodynamik för grafen i ett bänksexperiment. Ytterligare experiment kan undersöka grafens cyklotronresonans vid höga temperaturer i framtiden.

© 2019 Science X Network