相對論流體動力學也出現在量子元件上!台師大研究揭開石墨烯材料之謎

國立臺灣師範大學光電工程研究所助理教授楊承山與美國加州大學柏克萊分校(UCBerkeley)物理系合作,發現並成功解釋超潔淨石墨烯中的量子臨界相對論電漿現象,並刊登於最新一期的全球最權威學術期刊《科學》(Science),解開十幾年來於二維材料科學中無法解釋的謎題。

揭示石墨烯存在於典型電子系統中觀察不到的相對論現象,對未來在超快量子元件的發展,佔有非常舉足輕重的角色。而微小化的兆赫波系統設計,更可望使兆赫波技術於高速無線通訊、儀器與檢測、新穎材料及國土安檢系統廣泛應用,進而改變人類生活。

石墨烯是甚麼?

石墨烯(Graphene)是由炭原子以 sp2混成軌域組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,厚度只有一個碳原子,是目前已知最堅硬的奈米材料。近年來石墨烯的出現在科學界激起了巨大波瀾,引發了研究熱潮。經過十多年研究,科學家發現,石墨烯是電阻率最小、導電性最佳,已知強度最高的物質,其透光性、導熱性、韌性非常好。可應用於透明觸控螢幕或太陽能電池。

科學家還發現,石墨烯可產生兆赫(terahertz, THz)範圍的輻射—將紅外線照射到石墨烯薄膜上,只需很短時間就能放射出兆赫的光源,進而開發出能在室溫條件下工作的高性能兆赫波雷射器。

石墨烯。圖/wikimedia

兆赫波的廣泛應用

兆赫波是指輻射頻率介於 0.1 THz 到 10 THz,波長範圍介於微波與紅外線之間的電磁波。由於其可應用在各式安檢設備,如海關、警局、醫院等,用來檢測X光偵測不到的塑膠炸彈、陶瓷武器及生物藥劑等危險物品;在醫學方面的應用,由於兆赫波的光子能量較低,影響人體的輻射能量遠低於X光,非常安全,甚至可在做生醫檢測時,更精準地知道手術成功機率;

在通訊方面,未來進入 5G 時代,兆赫波比目前使用的微波傳輸頻寬更廣,與光纖通訊網路結合,將能突破傳遞的距離限制,提供更快的網路服務,甚至比 Wi-Fi 標準快上數百倍速度。

兆赫波的輻射頻率範圍。圖/Wiki commons by Tatoute, CC BY-SA 3.0

綜合以上所述,兆赫波被全世界列為十大重要技術之一。過去科學家不知道如何穩定的產生兆赫波光源,直到 30 年前發明超快雷射後,可使用它所發射的飛秒脈衝產生兆赫波,才漸漸開始發展,並進行全面之科學研究,屬於未來光電科技的新興領域。

兆赫波微小晶片(On-chip)波導光譜系統。圖/國立台灣師範大學新聞稿

石墨烯應具有相對論現象!

臺灣師大光電所楊承山助理教授、美國加州大學柏克萊分校物理系王楓教授以及其博士後研究員 Patrick Gallagher 等人所組成的跨國研究團隊,費時近兩年時間完成這項突破性成果,整個實驗品大小約 3 平方公分。

團隊預期接近電中性的石墨烯應該像量子臨界相對論性電漿態「狄拉克流體」一樣,這是一種由相對論流體動力學描述的電子和電洞的量子臨界電漿體。團隊使用兆赫波微小晶片 (On-chip) 波導光譜系統,測量石墨烯中電子溫度介於 77 K和室溫 (300 K) 之間的量子臨界相對論電漿現象。其中包括發現狄拉克流體 (Dirac Fluid) 的臨界散射率特徵;以及發現其在較高摻雜濃度時,發現了同時具有零和非零總動量這兩種截然不同的載流模式,其為相對論流體動力學的一種重要表現形式。

這項研究工作揭示了材料的量子臨界性,其中每個部份處於有序和無序的量子疊加(類似於薛丁格的貓,在死和活著的量子態中疊加),以及石墨烯中電荷中性附近的異常動態激發。Landau 的費米液態(Fermiliquid)理論將典型金屬的電子相互作用定義為一種無交互作用準粒子的理想氣體。

然而,在石墨烯中,由於其線性能帶結構和強烈地庫侖交互作用,該理論並不適用。在輕度摻雜的情況下,研究團隊發現電流可以通過兩種不同的零和非零總動量模式來承載。隨著摻雜濃度的增加,零動量模式的行為會減少,而有限動量模式則會增加,進而形成從狄拉克流體到費米液體行為的過渡現象。

而在實際的實驗進行方式上,兆赫波時域光譜可在相當寬頻之範圍觀察量子臨界導電率,非常適合用於觀察該現象。然而,由於兆赫波繞射極限的關係,傳統的兆赫光譜儀僅能用於量測缺陷較多,動量較低的大面積石墨烯薄膜,進而觀測不到狄拉克流體的特性。

在此工作中,跨國研究團隊利用兆赫波微小晶片波導光譜系統,測量石墨烯中電子溫度介於 77K 和室溫 (300K) 之間的量子臨界相對論電漿現象,以確認電荷中性附近的量子臨界散射率。為了改變材料環境的溫度,研究團隊調整了激發光和兆赫探測脈衝之間的時間延遲,通過觀察兆赫波傳輸的穿透率變化來描述電荷中性下之載子運輸。

透過這種方式,此跨國研究團隊證明了狄拉克流體在石墨烯的實驗結果與相對論流體動力學理論之間的定量一致性,意味著石墨烯應具有相對論現象,這在典型的電子系統中是看不到的,相對論流體動力學在典型的電子系統並不適用。

  • 本研究成果已於108年2月28日刊登於國際期刊《科學》(Science),文章標題為:Quantum-critical conductivity of the Dirac fluid in graphene
  • 本文部分改寫自國立臺灣師範大學新聞稿,原標題為〈光電所楊承山跨國團隊研究 榮登國際頂尖期刊《Science》發現石墨烯中的量子臨界相對論電漿現象可望使超快量子元件 兆赫波技術廣泛應用 改變人類生活〉

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