編譯 費(fèi)文緒

在適當(dāng)?shù)臈l件下，電子在石墨烯中可以像流體一樣流動(dòng)。

流水無(wú)形，能繞過(guò)障礙物，并且在流動(dòng)中施加力。然而，像水這樣的傳統(tǒng)液體只是很多流體的一種。幾十年前，科學(xué)家就假定存在一種電子流動(dòng)形成的量子流體，但直到最近科學(xué)家才觀察到：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)相互作用，使得電子可以在比人類頭發(fā)絲細(xì)100倍的尺度上像水一樣流動(dòng)。貝爾迪尤金（Berdyugin）等人和加拉格爾（Gallagher）等人分別在石墨烯（由厚度只有一個(gè)原子的碳原子層組成蜂巢晶格的二維碳納米材料）中，實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到二維電子流體，實(shí)驗(yàn)揭示了在水中無(wú)法觀察到的量子流體流動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能會(huì)產(chǎn)生新型量子材料和電子器件。

通過(guò)施加局部電壓，石墨烯可以帶上少量額外的電子，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。在低溫下，由于量子效應(yīng)，這些電子相互移動(dòng)；但是在更高的溫度下，電子開(kāi)始彼此分散。兩個(gè)電子相互反彈的方式與兩個(gè)水分子截然不同。不過(guò)在每次碰撞中，因?yàn)槟芰?、?dòng)量和電荷（類似于分子量）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。

然而，有一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題在于：與水分子不同，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)，就會(huì)失去動(dòng)量，不再像傳統(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)像水流那樣的電子流動(dòng)。因?yàn)椴牧峡茖W(xué)的進(jìn)步，科學(xué)家才制造出石墨烯這樣的量子材料，其中移動(dòng)的電子只要能夠相互散射的足夠快，就會(huì)形成量子流體。

貝爾迪尤金等人在垂直于石墨烯原子層的方向施加磁場(chǎng)，進(jìn)而研究存在磁場(chǎng)情況下石墨烯中的電子流體。因?yàn)榇艌?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，所以出現(xiàn)宇稱對(duì)稱性破缺。二維對(duì)稱性破缺流體，無(wú)論它們是由大的手性分子薄膜組成，還是由磁場(chǎng)中小的量子電子組成，都具有霍爾黏度。

要理解霍爾黏度的影響，可以考慮在剛性表面上流動(dòng)的黏性流體。普通剪切黏度隨著流體流動(dòng)而拉動(dòng)表面；但是，霍爾黏度將表面從流動(dòng)中拉入或拉出。通過(guò)探測(cè)電子流體如何在變化的溫度和磁場(chǎng)中從一個(gè)點(diǎn)流到另一個(gè)點(diǎn)，貝爾迪尤金等人發(fā)現(xiàn)：磁場(chǎng)在石墨烯電子流體中引起霍爾黏度，與理論預(yù)測(cè)一致。他們的研究清晰證明了流體力學(xué)的這種不尋常現(xiàn)象。

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)包含一些額外的能量，可以把一些電子從價(jià)態(tài)激發(fā)成移動(dòng)的導(dǎo)電電子，同時(shí)產(chǎn)生一些缺少電子的原子，這些缺失的電子看起來(lái)像帶正電的物體一樣移動(dòng)，即產(chǎn)生空穴。

在石墨烯中，電子和空穴形成等離子體，遵循類似于熱夸克和膠子形成的相對(duì)論性等離子體遵循的方程。加拉格爾等人通過(guò)研究電子-空穴等離子體與光的相互作用，來(lái)研究這種電子-空穴等離子體。他們證實(shí)了現(xiàn)有的理論預(yù)測(cè)，并發(fā)現(xiàn)：電子散射相對(duì)電子-晶格散射的增強(qiáng)是產(chǎn)生電子流體所必需的。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，其散射率由溫度和自然界的基本常數(shù)決定。

將來(lái)可以設(shè)計(jì)電子流體來(lái)創(chuàng)造熱電材料，這能有效地將電流轉(zhuǎn)換為熱流（反之亦然），創(chuàng)造優(yōu)質(zhì)的介觀導(dǎo)體，或產(chǎn)生和檢測(cè)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)。與石墨烯不同，結(jié)構(gòu)更復(fù)雜并且有對(duì)稱性的晶體可能會(huì)產(chǎn)生新型流體，具有新型的黏度和意想不到的流體流動(dòng)模式。此外，石墨烯中電子-空穴等離子體的快速散射率表明，它與其他強(qiáng)相互作用的量子材料的物理有關(guān)。無(wú)論是制造微米尺度的工業(yè)電子器件還是回答凝聚態(tài)物理中的基本問(wèn)題，處于流體力學(xué)、量子凝聚態(tài)物理學(xué)和材料科學(xué)交叉領(lǐng)域的科研人員很可能在未來(lái)很多年中，需要全力以赴來(lái)解決這些問(wèn)題。