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流水無(wú)形，流動(dòng)的電子呢？
早在1963年，科學(xué)家就假定存在一種電子流動(dòng)形成的量子流體：這種量子流體來(lái)源于導(dǎo)電材料中的電子彼此之間的強(qiáng)烈相互作用，電子可以在比人類頭發(fā)寬度短一百倍的尺度上像水一樣流動(dòng)。
2019年4月12日，Science連刊3篇文章，報(bào)道了石墨烯中發(fā)現(xiàn)量子流體的最新成果，這是魔角石墨烯之后，石墨烯領(lǐng)域迎來(lái)的又一重大突破！曼徹斯特大學(xué)A. K. Geim（石墨烯諾獎(jiǎng)得主）、D. A. Bandurin團(tuán)隊(duì)以及加州大學(xué)伯克利分校Feng Wang團(tuán)隊(duì)在Science發(fā)表文章，分別獨(dú)立報(bào)道了在石墨烯中實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到二維電子流體的現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)揭示了在水中無(wú)法觀察到的量子流體流動(dòng)，可能會(huì)產(chǎn)生新的量子材料和電子學(xué)。同時(shí)，斯坦福大學(xué)Andrew Lucas教授還專門(mén)發(fā)表一篇展望文章，對(duì)石墨烯量子流體及最新發(fā)現(xiàn)進(jìn)行系統(tǒng)闡述。
通過(guò)施加局部電壓，石墨烯可以通過(guò)少數(shù)外部電子充電，類似于對(duì)電容器的一側(cè)進(jìn)行充電，添加的電子很容易從一個(gè)原子移動(dòng)到下一個(gè)原子。由于量子效應(yīng)，這些電子在低溫下會(huì)快速地相互移動(dòng)，當(dāng)溫度慢慢升高，電子開(kāi)始分散開(kāi)來(lái)，兩個(gè)電子以兩個(gè)水分子截然不同的方式發(fā)生相互反彈。在每次碰撞中，由于能量，動(dòng)量和電荷都是守恒的，所以產(chǎn)生的電子流體的流動(dòng)方式與水的流動(dòng)方式大致相同。
一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題在于，電子必須在一系列離子之間流動(dòng)。如果電子散射離子雜質(zhì)或離子晶格振動(dòng)，就失去動(dòng)量，不能再像傳統(tǒng)液體那樣流動(dòng)。在普通金屬中，電子-晶格散射非常強(qiáng)，因此完全無(wú)法實(shí)現(xiàn)電子流動(dòng)。只有在石墨烯這樣的量子材料中，移動(dòng)的電子才能夠足夠快地彼此散射，從而形成量子流體，以類似流體的方式穿過(guò)石墨烯。
加州大學(xué)伯克利分校Feng Wang團(tuán)隊(duì)專注于在磁場(chǎng)存在下石墨烯中的電子流體，他們?cè)诖怪庇谑┰訉拥姆较蚴┘哟艌?chǎng)，由于磁場(chǎng)傾向于以相同的方式（例如，順時(shí)針?lè)较颍┬D(zhuǎn)所有移動(dòng)的帶電電子，所以奇偶校驗(yàn)對(duì)稱性被破壞。研究發(fā)現(xiàn)，磁場(chǎng)在石墨烯電子流體中引起霍爾粘度的不尋常現(xiàn)象，違反流體動(dòng)力學(xué)中常規(guī)經(jīng)驗(yàn)，證實(shí)了之前的理論預(yù)測(cè)。
由于石墨烯特有的量子物理特性，即使去除了所有多余的電子，也還會(huì)存在電子流體。在有限的溫度下，集合電子系統(tǒng)中所包含的額外的能量可以將一些電子從價(jià)態(tài)激發(fā)成可移動(dòng)的導(dǎo)帶電子，同時(shí)產(chǎn)生空穴。
在石墨烯中，電子和空穴形成等離子體，曼徹斯特大學(xué)A. K. Geim（石墨烯諾獎(jiǎng)得主）、D. A. Bandurin團(tuán)隊(duì)研究了這種電子空穴等離子體與光的相互作用。他們發(fā)現(xiàn)電子散射相對(duì)于電子-晶格散射的增強(qiáng)是產(chǎn)生電子流體所必需的，證實(shí)了理論預(yù)測(cè)。他們還證實(shí)，電子散射率遵循量子臨界行為，就像許多非費(fèi)米液體的“奇異金屬”一樣，散射率由溫度和自然的基本常數(shù)決定。
這項(xiàng)成果為凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)帶來(lái)了全新的可能。我們可以設(shè)計(jì)電子流體來(lái)創(chuàng)造新型熱電材料，將電流轉(zhuǎn)換為熱電流（反之亦然），創(chuàng)造優(yōu)異的介觀導(dǎo)體，或創(chuàng)造太赫茲輻射來(lái)解決應(yīng)用物理學(xué)在諸多工業(yè)應(yīng)用中的長(zhǎng)期挑戰(zhàn)。
無(wú)論是制造微米尺度的工業(yè)電子產(chǎn)品，還是回答凝聚態(tài)物理中的基本問(wèn)題，流體力學(xué)，量子凝聚態(tài)物理學(xué)和材料科學(xué)的交叉學(xué)科的研究人員會(huì)在未來(lái)的許多年里全力以赴。
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參考文獻(xiàn)：
1.Patrick Gallagher, Feng Wang et al. Quantum-criticalconductivity of the Dirac fluid in graphene. Science 2019, 364, 158-162.
https://science.sciencemag.org/content/364/6436/158
2.A. I. Berdyugin, S. G. Xu, A. K. Geim, D. A. Bandurin et al. Measuring Hallviscosity of graphene’s electron fluid. Science 2019, 364, 162-165.
https://science.sciencemag.org/content/364/6436/162
3.Andrew Lucas. An exotic quantum fluid in graphene. Science 2019, 364, 125.
https://science.sciencemag.org/content/364/6436/125
