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石墨烯中发现“超级弹性”电子

2017-08-25
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     物理学家组织网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。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。


总编辑圈点:

  这无疑是石墨烯研究进程中的重大发现!几十年前,科学家就在探讨,金属中高度黏性电子的流动可能性。去年2月,海姆团队发现,石墨烯中的电子在常温下同时兼具弹性和黏性。前者用于描述电子散射状态,后者则为电子流动能力“背书”。如今,本不相容的性质,继续在石墨烯中“荣辱与共”,共同书写微观世界的“神话”。


章来源:科技日报


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