Science三連擊：諾獎得主在石墨烯中發現量子流體！

　　流水無形，流動的電子呢？

　　早在1963年，科學家就假定存在一種電子流動形成的量子流體：這種量子流體來源于導電材料中的電子彼此之間的強烈相互作用，電子可以在比人類頭發寬度短一百倍的尺度上像水一樣流動。

　　2019年4月12日，Science連刊3篇文章，報道了石墨烯中發現量子流體的最新成果，這是魔角石墨烯之后，石墨烯領域迎來的又一重大突破！曼徹斯特大學A. K. Geim（石墨烯諾獎得主）、D. A. Bandurin團隊以及加州大學伯克利分校Feng Wang團隊在Science發表文章，分別獨立報道了在石墨烯中實驗觀測到二維電子流體的現象，實驗揭示了在水中無法觀察到的量子流體流動，可能會產生新的量子材料和電子學。同時，斯坦福大學Andrew Lucas教授還專門發表一篇展望文章，對石墨烯量子流體及最新發現進行系統闡述。

　　通過施加局部電壓，石墨烯可以通過少數外部電子充電，類似于對電容器的一側進行充電，添加的電子很容易從一個原子移動到下一個原子。由于量子效應，這些電子在低溫下會快速地相互移動，當溫度慢慢升高，電子開始分散開來，兩個電子以兩個水分子截然不同的方式發生相互反彈。在每次碰撞中，由于能量，動量和電荷都是守恒的，所以產生的電子流體的流動方式與水的流動方式大致相同。

　　一個關鍵的問題在于，電子必須在一系列離子之間流動。如果電子散射離子雜質或離子晶格振動，就失去動量，不能再像傳統液體那樣流動。在普通金屬中，電子-晶格散射非常強，因此完全無法實現電子流動。只有在石墨烯這樣的量子材料中，移動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石墨烯。

　　加州大學伯克利分校Feng Wang團隊專注于在磁場存在下石墨烯中的電子流體，他們在垂直于石墨烯原子層的方向施加磁場，由于磁場傾向于以相同的方式（例如，順時針方向）旋轉所有移動的帶電電子，所以奇偶校驗對稱性被破壞。研究發現，磁場在石墨烯電子流體中引起霍爾粘度的不尋常現象，違反流體動力學中常規經驗，證實了之前的理論預測。

　　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，也還會存在電子流體。在有限的溫度下，集合電子系統中所包含的額外的能量可以將一些電子從價態激發成可移動的導帶電子，同時產生空穴。

　　在石墨烯中，電子和空穴形成等離子體，曼徹斯特大學A. K. Geim（石墨烯諾獎得主）、D. A. Bandurin團隊研究了這種電子空穴等離子體與光的相互作用。他們發現電子散射相對于電子-晶格散射的增強是產生電子流體所必需的，證實了理論預測。他們還證實，電子散射率遵循量子臨界行為，就像許多非費米液體的“奇異金屬”一樣，散射率由溫度和自然的基本常數決定。

　　這項成果為凝聚態物理和材料科學帶來了全新的可能。我們可以設計電子流體來創造新型熱電材料，將電流轉換為熱電流（反之亦然），創造優異的介觀導體，或創造太赫茲輻射來解決應用物理學在諸多工業應用中的長期挑戰。

　　無論是制造微米尺度的工業電子產品，還是回答凝聚態物理中的基本問題，流體力學，量子凝聚態物理學和材料科學的交叉學科的研究人員會在未來的許多年里全力以赴。