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颠覆物理学常识,石墨烯中“超级弹性”电子能像液体一样高速流动
李明 2017-08-24
导语

“教科书说,额外的障碍总是产生额外的电阻,但在这种情况下,随着温度的升高,电子散射引起的障碍实际上却降低了电阻,电子像液体那样流动的速度竟比在真空中自由传播还快,这种独特现象完全违背了直觉!”

物理学家组织网8月23日报道称,因成功制备单原子层厚石墨烯而获得诺贝尔物理学奖的安德烈·海姆团队,观察到电子在石墨烯中违背常识的运动行为及导电机制,并阐述了对这种导电材料的物理学特性的全新认识该研究成果发布在最新一期《自然·物理学》杂志上。

石墨烯导电性能比铜高,部分原因在于其独特的二维结构。在大多数金属中,电导率受到晶体缺陷的限制,当电子通过材料时,会像台球一样频繁散射。纳米电子输运理论中,兰道尔-布蒂克电导公式对此类弹性电子散射特性的描述表明,正常导电材料要提升导电率,面临严苛的限制。

但海姆领导的英国曼彻斯特大学研究团队的最新成果显示,这一基本限制可能在石墨烯材料中被打破。在英国国家石墨烯研究所进行的实验观察,提供了对石墨烯中电子流的特殊行为的基本理解。包括曼彻斯特大学在内的三个不同团队的实验表明,在某些温度下,电子彼此碰撞,竟开始频繁地像黏性液体一样流动。

海姆表示:“教科书说,额外的障碍总是产生额外的电阻,但在这种情况下,随着温度的升高,电子散射引起的障碍实际上却降低了电阻,电子像液体那样流动的速度竟比在真空中自由传播还快,这种独特现象完全违背了直觉!

通常散射事件会降低材料导电性,但此次观察结果颠覆常识——一些电子黏滞在石墨烯晶体边缘附近,其动能耗散最高,移动也最缓慢;同时,它们保护临近的电子免于碰撞这些区域,导致另一些电子由于这些“朋友”的帮忙,弹性变得超级好,流动起来顺畅无比,传导性能骤增。

更重要的是,通过研究电阻如何随温度变化,科学家发现了一个新的物理量——黏性电导,对其进行的反复测试乃至定性研究,都十分有利于指导未来纳米级电子电路的设计,有利于对石墨烯材料的深入理解。

文章链接:

R. Krishna Kumar et al. 'Superballistic flow of viscous electron fluid through graphene constrictions,' Nature Physics (2017). DOI: 10.1038/nphys4240 

(本文来源:科技日报,作者:房琳琳;)

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作者 李明

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北京航空航天大学

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