Kvantekritisk ledningsevne af Dirac-væsken i grafen

Grafen forventes at opføre sig som en kvantekritisk, relativistisk plasma kendt som "Dirac fluid" nær ladningsneutralitet, hvor masseløse elektroner og huller hurtigt kolliderer. I en nylig undersøgelse offentliggjort i Videnskab , Patrick Gallagher og medarbejdere ved afdelingerne for fysik og materialevidenskab i USA, Taiwan, Kina og Japan brugte on-chip terahertz-spektroskopi og målte den frekvensafhængige optiske ledningsevne af grafen mellem 77 K og 300 K elektrontemperaturer for første gang. Derudover forskerne observerede den kvantekritiske spredningshastighed, der er karakteristisk for Dirac-væsken. Ved højere doping, Gallagher et al. afdækkede to distinkte strømførende tilstande med nul og ikke-nul total momenta som en manifestation af relativistisk hydrodynamik.

Arbejdet afslørede kvantekrititeten af ​​materialet, hvor hvert sted er i en kvanteoverlejring af orden og uorden (svarende til Schrödingers hypotetiske kat i en kvantesuperposition af 'død' og 'levende') og den usædvanlige dynamiske excitation i grafen nær ladning neutralitet. Fysikere anser kvanterelativistiske effekter i de eksperimentelle systemer, der påvirker kondenseret stof, for at være for små til nøjagtig beskrivelse af den ikke-relativistiske Schrödingers ligning. Som resultat, Tidligere undersøgelser har rapporteret om eksperimentelle kondenserede stofsystemer såsom grafen (et enkelt atomlag af kulstof), hvor elektrontransport var styret af Diracs (relativistiske) ligning.

Landaus teori om Fermi-væsken definerer elektroninteraktioner af et typisk metal som en ideel gas af ikke-interagerende kvasipartikler. I monolag grafen, denne beskrivelse gælder ikke på grund af dens struktur af lineært dispergerende bånd og minimalt screenede Coulomb-interaktioner. Tæt på ladeneutralitet, grafen forventes således at være vært for en "Dirac-væske, " som er et kvantekritisk plasma af elektroner og huller, der er styret af relativistisk hydrodynamik. I let doteret grafen, en overraskende konsekvens af relativistisk hydrodynamik er, at strømmen kan bæres af to forskellige tilstande; med nul og ikke-nul total momenta, også omtalt som "energibølger" og "plasmoner" i nogle undersøgelser.

Efterhånden som dopingen steg, vægten af ​​nulmomentum-tilstanden forventedes at falde, mens den for finite-momentum-tilstanden steg til at krydse jævnt fra Dirac-væske til Fermi-væskeadfærd. Tidligere forsøg på ren, monolagsgrafen har demonstreret mange-legemes fysik i grafen, med eksempler, herunder studier af lavfrekvente transportfænomener i overensstemmelse med hydrodynamiske beskrivelser. Yderligere eksperimenter indikerede overtrædelse af Wiedemann-Franz-loven - som en signatur af Dirac-væsken og som direkte bevis på kollektiv bevægelse i en kvanteelektronisk væske, og den viskøse strøm af elektroner. Selvom elektron-hul-kollisioner har vist sig at begrænse ledningsevnen i ladningsneutral tolagsgrafen, den direkte observation af Dirac-væskens kvantekritiske ledningsevne er forblevet uhåndgribelig.

Eksperimentelt, tidsdomæne terahertz spektroskopi er en ideel sonde over et bredt frekvensområde til at observere kvantekritisk ledningsevne, men brugen af ​​enheden er begrænset til film af lavere kvalitet, hvori Dirac væskefysik er skjult. I nærværende arbejde, derfor, Gallagher et al. udnyttede subbølgelængdebegrænsningen af ​​en koplanar bølgeleder til at måle den terahertz optiske ledningsevne af grafen, ved tykkelse på ti mikron skala, indkapslet i hexagonal bornitrid (HBN). De brugte den eksperimentelle opsætning til at måle materialets ledningsevne ved elektrontemperaturer (T _e ) mellem 77 og 300 K for at bekræfte den kvantekritiske spredningshastighed nær ladningsneutralitet. Forskerne demonstrerede også sameksistensen af ​​nul- og endeligt momentum-tilstande ved ikke-nul-doping.

I forsøgsopstillingen, Gallagher et al. brugte fotoledende kontakter lavet af halvledende materialer med cirka et picosekund (ps) bærerlevetid for at opnå emission og detektering af terahertz-impulser. Emitterkontakten, der kontaktede det nedre bølgelederspor, var forspændt med en jævnspænding. Når den udløses af en laserpuls, den forspændte emitter blev stærkt ledende i 1 ps. Processen injicerede en strømimpuls i den koplanære bølgeleder for at interagere med grafen, før den nåede en detektorkontakt, der spænder over begge spor. I praksis, forskerne opnåede lavere støj ved at kontrollere længden af ​​den optiske vej og detektere strømmen, at måle tidsdomæneprofilen for den transmitterede spændingsimpuls (dV/dt).

Efter at have optimeret eksperimentelle forhold, forskerne undersøgte først Fermi-væskens optiske ledningsevne ved 77 K (T ₀ ). De transmitterede bølgeformer indeholdt skarpe, sub-picosecond funktioner, der udviklede sig med gate-spænding for at resultere i maksimal transmission ved ladningsneutralitet. For at udtrække den optiske ledningsevne fra tidsdomænedataene og retfærdiggøre finite-element simuleringerne, forskerne modellerede enheden som en uendelig, tabsfri transmissionsledning. Gallagher et al. derefter sonderet transport ved ladningsneutralitet ved at observere ændringen i terahertz-transmission (∆V) ved optisk opvarmning af elektronsystemet fra T ₀ =77 K til varierende elektrontemperaturer (T _e ). For at variere temperaturen i forsøgsopstillingen, de justerede forsinkelsen mellem den optiske pumpe og terahertz sondepuls.

I alle mål, forskerne dopede kraftigt grafenen under bølgeledersporene for at minimere dens impedans. De ekstraherede spredningshastigheder ved 77 K var under 0,5 og 1 THz, indikerer sjælden spredning af uorden og fononer, i overensstemmelse med tidligere transportundersøgelser af lignende doping; bekræfter dermed den forventede Fermi-væskeadfærd af grafen. Forskerne undersøgte transporten ved ladningsneutralitet ved at observere ændringen i terahertz-transmission. For det, de opvarmede systemet optisk og beregnede den tilsvarende ændring i ledningsevne og strømmen i ladningsneutral grafen under eksperimentelle forhold. Den observerede lineære udvikling i eksperimenterne var en nøglesignatur af ladningsbærer-interaktioner i den kvantekritiske Dirac-væske.

På denne måde Gallagher et al. demonstrerede elegant den kvantitative overensstemmelse mellem de eksperimentelle resultater og den relativistiske hydrodynamiske teori om Dirac-fluidgrafen. Forskerne antydede, at grafen skulle være vært for relativistiske fænomener, som ikke observeres i typiske elektronsystemer (hvor relativistisk hydrodynamik ikke gælder). For eksempel, i konventionelle metaller, elektroniske lydbølger enten omdannes til plasmoner eller ødelægges ved momentum afslapning. Imidlertid, de nye resultater indikerer, at sådanne bølger kan eksistere i ladningsneutral grafen som følge af lav uorden og nulkobling til plasmontilstande. Det eksperimentelle arbejde af Gallagher et al. gav således adgang til den subtile og rige fysik af relativistisk hydrodynamik af grafen i et eksperiment på bænken. Yderligere eksperimenter kan undersøge cyklotronresonansen af ​​grafen ved høje temperaturer i fremtiden.

© 2019 Science X Network