物理新现象：电子似流水

诸平

据英国曼彻斯特大学(University of Manchester)2017年8月22日提供的消息，该大学的研究人员与英国兰卡斯特大学（University of Lancaster）物理系、荷兰拉德伯德大学（Radboud University）分子与材料科学研究所、美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）、以色列魏兹曼科学研究所（Weizmann Institute of Science）、俄罗斯信息传输问题研究所（Institute for Information Transmission Problems）、日本国立材料科学研究所（National Institute for Materials Science）以及意大利的研究人员合作研究发现，在石墨烯中电子的流动类似于液体，这种电子的不寻常的运动现象，迫使人们不得不对于导电材料的物理特性进行重新认识和理解。

Credit: University of Manchester

石墨烯的导电性与金属铜的导电性相比较，是铜导电性的很多倍。在某种程度上,是由于石墨烯具有二维结构。大多数金属的导电性受到晶体缺陷的影响，晶体缺陷经常导致电子散射，电子运动穿过导电材料时就像台球散开一样。但是，现在,在国家石墨烯研究所（National Graphene Institute）实验观察结果，对于石墨烯中电子流动的特殊行为已经提供了必要的理解， 问题就在于对未来的纳米电子电路的设计需要加以考虑。

某些高质量的材料如石墨烯当中,电子可以在相距微米之间的传输，而并无散射影响,使电导率提高几个数量级。这种所谓的弹道区（ballistic regime）,对于任何常规金属而言，都可以使其导电性最大化，这是兰道尔-巴迪科形式体系（Landauer-Buttiker formalism）所定义的。由马可·波利教授（Professor Marco Polini）和雷奥尼·利维托夫教授（Professor Leonid Levitov）带领的来自英国曼彻斯特大学、兰卡斯特大学、还有美国、俄罗斯、荷兰、以色列以及日本的理论物理学家合作完成的研究结果，已经于2017年8月21日在《自然物理学》（Nature Physics）杂志网站在线发表——R. Krishna Kumar, D. A. Bandurin, F. M. D. Pellegrino, Y. Cao, A. Principi, H. Guo, G. H. Auton, M. Ben Shalom, L. A. Ponomarenko, G. Falkovich, K. Watanabe, T. Taniguchi, I. V. Grigorieva, L. S. Levitov, M. Polini, A. K. Geim. Superballistic flow of viscous electron fluid through graphene constrictions. Nature Physics, Published online: 21 August 2017. DOI: 10.1038/nphys4240. 多国理论物理学家的合作研究结果显示，兰道尔的根本限制在石墨烯当中有可能被打破。甚至更有趣的是对此机理的解释。

在固态物理学的一个新领域被称为“电子流体动力学（electron hydrodynamics简称EHD）”，也被称为electro-fluid-dynamics (EFD) 或者electrokinetics，虽然称谓不同，但其本质都是研究电液的动力学。科学家对此产生了巨大的科学兴趣。3个不同的实验,包括一个由曼彻斯特大学进行的实验,证明了在一定温度下,电子相互频繁碰撞，它们开始集体像一种粘性流体一样流动。

新研究表明,这种粘性流体的导电性更比弹道电子更佳。结果是与直觉相反的,既然典型的散射事件作用降低了材料的导电性,是因为它们抑制了在晶体内的运动。然而,当电子相互碰撞时,他们开始一起工作,减缓电流。这是因为一些电子在晶体边缘附近,此处是动量耗散最高的地方,因此移动相当慢。同时,它们保护邻近的电子免遭与其它区域电子的碰撞。因此,当一些电子被其朋友引导穿过信道时，变成了超级弹道（super-ballistic）。

安德烈·海姆爵士（Sir Andre Geim）说:“我们从学校得知，额外的障碍总是创建额外的电阻。在我们的例子中,电子散射引起的障碍实际上会减少而不是增加阻力。这是独一无二、非常违反直觉的（quite counterintuitive）:电子当组成液体时，便开始更快速度传播，要比即使它们就像真空中的自由电子的传播速度还要快”。

研究人员测量了石墨烯压缩物的电阻,并发现其随着温度升高而减少,期望掺杂石墨烯与通常的金属行为形成鲜明的对照。通过对于石墨烯压缩物的电阻如何随温度而变的研究,科学家揭示了一个新的物理量即粘性电导（viscous conductance）。粘度测量方法能够使研究人员确定电子粘度，如此高精度的提取值显示出理论与实验非凡的定量一致性。更多信息请注意浏览原文或者相关报道；

nphys4240-s1 Superballistic flow of viscous electron fluid.pdf

Scientists discover electrons moving like honey in graphene

Electrons flowing like liquid in graphene start a new wave of physics

Abstract

Electron–electron (e–e) collisions can impact transport in a variety of surprising and sometimes counterintuitive ways^{1, 2, 3, 4, 5, 6}. Despite strong interest, experiments on the subject proved challenging because of the simultaneous presence of different scattering mechanisms that suppress or obscure consequences of e–e scattering^{7, 8, 9, 10, 11}. Only recently, sufficiently clean electron systems with transport dominated by e–e collisions have become available, showing behaviour characteristic of highly viscous fluids^{12, 13, 14}. Here we study electron transport through graphene constrictions and show that their conductance below 150 K increases with increasing temperature, in stark contrast to the metallic character of doped graphene¹⁵. Notably, the measured conductance exceeds the maximum conductance possible for free electrons^{16, 17}. This anomalous behaviour is attributed to collective movement of interacting electrons, which ‘shields’ individual carriers from momentum loss at sample boundaries^{18, 19}. The measurements allow us to identify the conductance contribution arising due to electron viscosity and determine its temperature dependence. Besides fundamental interest, our work shows that viscous effects can facilitate high-mobility transport at elevated temperatures, a potentially useful behaviour for designing graphene-based devices.