粘性电子流的首次实际应用在石墨烯中实现了太赫兹光电导

Josiah02

当光线照射到某些材料的表面时，即那些表现出光阻特性的材料，它会引起其电导率的变化。石墨烯就是其中一种材料，因为入射光可以激发其中的电子，从而影响其光电导性。
新加坡国立大学的研究人员报告称，掺杂金属石墨烯的光阻行为与标准行为存在偏差。他们的论文发表在《自然纳米技术》上，表明当暴露于连续波太赫兹 (THz) 辐射时，这种材料中的狄拉克电子可以从晶格中热解耦，从而促进它们的流体动力学传输。
新加坡国立大学助理教授、实验凝聚态物理实验室负责人兼论文高级作者丹尼斯·班杜林 (Denis Bandurin) 告诉 Tech Xplore：“我们的研究源于人们日益增长的认识，即传统的电子行为模型不能完全捕捉某些先进材料的特性，特别是在量子世界中。”
“长期以来，我们一直将电子视为独立粒子，类似于气体中的原子，从而使模型更简单。然而，在量子材料中观察到的许多现象无法解释。然而，最近的研究表明，在某些条件下，这些材料中的电子表现得像流体一样，这意味着它们相互作用并一起‘流动’。”
Bandurin 及其同事的研究主要目的是进一步探索最近研究中报道的石墨烯电子的流体状行为。具体来说，该团队试图确定在石墨烯中观察到的粘性电子流是否有助于解决光电子领域的长期挑战，即检测太赫兹辐射。
“太赫兹波介于微波和红外线之间，很难探测，但具有巨大的应用潜力，”班杜林说。“我们想看看电子的流体状行为是否可以增强石墨烯对太赫兹辐射的响应，从而有可能为这一具有挑战性的电磁波谱范围创造一种实用的高速探测器。”
为了探索太赫兹波对石墨烯电导率的影响，该团队首先制备了“掺杂”额外电子的单层石墨烯样品，这使得它们的行为更像金属。为了在这些样品中实现有效的传感，该团队必须对它们进行进一步处理，因为石墨烯的电导率对太赫兹辐射加热不敏感。
“为了解决这个问题，我们将样品设计成具有狭窄的收缩部分，这样粘性效应就可以改变暴露于太赫兹辐射的样品的电导率，”该论文的第一作者米哈伊尔·克拉夫佐夫解释说。“使用高精度测量工具，我们可以监测石墨烯与太赫兹波相互作用时电子运动和电阻的变化。”
有趣的是，研究人员观察到，当掺杂的金属石墨烯样品受到太赫兹光的影响时，其流体状电子的粘度会下降。这使得电子能够更容易地流过材料（即阻力更小）。
班杜林和他的同事在新开发的粘性电子辐射计中捕捉到了这一现象。这些设备有望在极高的速度下探测到电导率的变化。
班杜林说：“我们研究最令人兴奋的成果是开发出粘性电子流的第一个实际应用，这一概念以前被视为纯理论。”
“通过使用太赫兹波改变石墨烯中的电子粘度，我们成功制造出了一种能够高灵敏度、高速度检测太赫兹辐射的设备。这是一项重大成就，因为它为在实际应用中使用太赫兹技术开辟了新的可能性——而这一直以来都很难实现。”
该研究团队最近的研究可能对各种超高速、高性能太赫兹技术的开发具有重要意义。例如，它可以为下一代无线通信技术（6G 及更高版本）、自动驾驶汽车导航系统和捕捉高分辨率天文图像的工具的开发提供参考。
班杜林说：“通过提高我们探测太赫兹光的能力，我们还可以增强工业流程，如质量控制和医学成像，这种非破坏性传感已显示出良好的前景。”
“展望未来，我们的主要目标是改进这些粘性电子辐射计，使其尽可能有效和实用，以便广泛使用。我们正在探索优化其灵敏度和耐用性的方法，确保它们能够在各种条件和应用中有效运行。”
在接下来的研究中，Bandurin 和他的同事还计划研究其他表现出类似流体电子行为的量子材料。这将使他们能够确定与石墨烯相比，这些材料是否表现出对太赫兹辐射的类似甚至更强烈的响应。
班杜林补充道：“了解如何更广泛地利用这种集体电子行为，可以为光电子学和量子技术领域更先进的设备铺平道路，从而有可能在数据传输、成像等领域取得突破。”