石墨烯作为一种二维碳材料,以其优异的电子迁移率和独特的量子力学性质,一直是凝聚态物理和材料科学研究的前沿。近年来,随着制造技术的提升,研究人员成功制备出超净、接近理想状态的石墨烯器件,使得其在接近狄拉克点时表现出的量子临界现象成为可能。所谓狄拉克点是指费米能级恰好处于导带和价带交汇处的位置,在此处石墨烯中电子和空穴的运动行为呈现强烈的量子临界态特征。这种状态不仅影响电荷的输运行为,也对热传导机制产生深远影响,揭示了量子流体的普适性规律。量子临界流体是指在量子相变临界点附近,系统统计性质变得独立于具体材料参数,仅由基本的量子力学对称性和普适类所决定的流体状态。石墨烯凭借其质子电子的狄拉克锥能带结构,提供了一个接近理想二维量子临界流体的试验平台。
近期发表在《自然物理》期刊上的研究揭示了超净石墨烯中电荷流和热流的量子临界普适性。研究团队利用高质量的石墨烯样品,结合电学和热学的综合测量方法,详细分析了接近狄拉克点时的电导率和热导率的表现。实验发现,石墨烯的电导率在该临界流体状态中呈现出一种量子化的定值,表明其传输性质被普适的量子临界类所决定。更为关键的是,电学和热学传导之间表现出相互反比关系,这与相对论性流体动力学的理论预期高度吻合。传统上,费米液体理论预测电导率和热导率遵循维德曼-弗朗茨定律,但在超净石墨烯临界点附近,此定律被显著破坏,实验中观察到洛伦兹数远超传统半经典预期,最高达到正常值的200倍以上。这样的巨幅违背表明电子行为超出传统自由电子模型,进入了相互强烈关联的量子临界流体阶段。
此外,在高温区间,研究团队还测量了电子流体的动态粘度与熵密度之比,这一指标接近理想量子流体的极小值,仅在理论最优值的四倍范围内。这一结果不仅为电子液体理论提供了实验证据,还展示了石墨烯作为实验平台在研究新型量子物质方面的独特优势。实验设备的超高洁净度和精细制备工艺是达成此类测量的关键。通过采用六方氮化硼(hBN)作为封装材料,最大限度地减少了环境杂质和载流子的散射,使样品接近理论预测的理想状态,同时利用噪声热量计测技术实现了对电子温度的精准监控。该多角度的测量方法为揭示量子临界流体中电荷和热流的关系提供了坚实数据支持。研究不仅验证了此前理论预言的普适级联规律,也为理解二维电子系统中的量子相变提供了实验基础。
石墨烯中观察到的非传统输运现象,如负局域电阻、电子空穴拖尾效应及超弹流体行为,均在此理论框架下得到合理阐释。量子临界状态下电子-电子强烈相互作用主导了输运过程,产生了流体动力学特征,包括电荷粘性流动和能量传播的协调机制。这些发现颠覆了传统金属和半导体电荷输运的描述模式,推动了电子流体力学和量子热力学的跨界研究与融合。该研究的意义不仅局限于基础物理,更为未来基于石墨烯的低功耗、高效能电子器件设计提供了理论指导。特别是在量子计算和热电子学领域,理解和控制量子临界输运特性将成为提高器件性能和功能的关键。应用超净石墨烯材料制造的新型电子元件,有望通过调控电子流体的量子临界态,实现高灵敏度的热电转化和传感能力。
展望未来,进一步探索动态粘度、热扩散以及电热耦合效应的微观机制,将助力开发新一代电子流体器件。同时,石墨烯量子临界行为也为探索其他二维材料中潜在的量子流体态提供了范例,推动二维材料物理研究迈向更深层次。研究团队已将实验数据和理论代码开源共享,鼓励更多学者基于该平台开展跨学科合作,拓展量子临界输运理论及其应用边界。总的来说,超净石墨烯成为验证量子临界流体理论和理解二维材料电子热输运机制的理想试验场,其揭示的普适量子流动规律为凝聚态物理学和材料科学的发展注入了活力,也为未来量子电子器件的创新研发奠定了坚实基础。随着加工工艺的不断完善和测量技术的日益进步,预计石墨烯及相关二维材料在量子流体实验和应用中将发挥更加重要的作用,推动我们深入理解量子物质的本质及其潜力。 。
