Espera-se que o grafeno se comporte como um crítico quântico, plasma relativístico conhecido como "fluido de Dirac" próximo à neutralidade de carga, no qual elétrons sem massa e lacunas colidem rapidamente. Em um estudo recente agora publicado em Ciência , Patrick Gallagher e colegas de trabalho nos departamentos de física e ciência dos materiais nos EUA, Taiwan, China e Japão usaram espectroscopia terahertz no chip e mediram a condutividade óptica dependente da frequência do grafeno entre 77 K e 300 K de temperatura de elétrons pela primeira vez. Adicionalmente, os cientistas observaram a característica de taxa de espalhamento crítica quântica do fluido de Dirac. Em alta dopagem, Gallagher et al. descobriu dois modos distintos de condução de corrente com momento total zero e diferente de zero como uma manifestação da hidrodinâmica relativística.

O trabalho revelou a criticidade quântica do material em que cada local está em uma superposição quântica de ordem e desordem (semelhante ao gato hipotético de Schrödinger em uma superposição quântica de 'morto' e 'vivo') e a excitação dinâmica incomum em grafeno perto da carga neutralidade. Os físicos consideram os efeitos relativísticos quânticos nos sistemas experimentais que influenciam a matéria condensada muito pequenos para uma descrição precisa pela equação de Schrödinger não relativística. Como resultado, estudos anteriores relataram sistemas experimentais de matéria condensada, como o grafeno (uma única camada atômica de carbono), no qual o transporte de elétrons era governado pela equação (relativística) de Dirac.

A teoria do líquido de Fermi de Landau define as interações eletrônicas de um metal típico como um gás ideal de quasipartículas não interagentes. Em grafeno monocamada, esta descrição não se aplica devido à sua estrutura de bandas de dispersão linear e interações de Coulomb minimamente selecionadas. Quase neutralidade de carga, espera-se, portanto, que o grafeno hospede um "fluido de Dirac, "que é um plasma quântico crítico de elétrons e buracos governados pela hidrodinâmica relativística. No grafeno levemente dopado, uma consequência surpreendente da hidrodinâmica relativística é que a corrente pode ser transportada por dois modos distintos; com momento total zero e diferente de zero, também conhecido como "ondas de energia" e "plasmons" em alguns estudos.

Conforme o doping aumentou, esperava-se que o peso do modo de momento zero diminuísse, enquanto o do modo de momento finito aumentou para cruzar suavemente do comportamento do fluido de Dirac para o comportamento do líquido de Fermi. Experimentos anteriores no limpo, o grafeno monocamada demonstrou a física de muitos corpos no grafeno, com exemplos incluindo estudos sobre fenômenos de transporte de baixa frequência consistentes com descrições hidrodinâmicas. Experimentos adicionais indicaram violação da lei Wiedemann-Franz - como uma assinatura do fluido de Dirac e como evidência direta de movimento coletivo em um fluido eletrônico quântico, e o fluxo viscoso de elétrons. Mesmo que as colisões elétron-buraco tenham mostrado limitar a condutividade no grafeno de bicamada neutra de carga, a observação direta da condutividade quântica crítica do fluido de Dirac permaneceu indescritível.

Experimentalmente, a espectroscopia terahertz no domínio do tempo é uma sonda ideal em uma ampla faixa de frequência para observar a condutividade quântica crítica, mas o uso do dispositivo é limitado a filmes de grande área de qualidade inferior, dentro do qual a física dos fluidos de Dirac é obscurecida. No presente trabalho, Portanto, Gallagher et al. alavancou o confinamento do sub comprimento de onda de um guia de onda coplanar para medir a condutividade óptica terahertz do grafeno, na espessura da escala de dez mícrons, encapsulado em nitreto de boro hexagonal (HBN). Eles usaram a configuração experimental para medir a condutividade do material em temperaturas de elétrons (T _e ) variando entre 77 e 300 K para confirmar a taxa de espalhamento crítico quântico perto da neutralidade de carga. Os cientistas também demonstraram a coexistência de modos de momento zero e de momento finito em dopagem diferente de zero.

Na configuração experimental, Gallagher et al. usou interruptores fotocondutores feitos de materiais semicondutores com vida útil de aproximadamente um picossegundo (ps) para realizar a emissão e detecção de pulsos de terahertz. A chave emissora em contato com o traço do guia de onda inferior foi polarizada com uma tensão CC. Quando acionado por um pulso de laser, o emissor polarizado tornou-se altamente condutivo por 1 ps. O processo injetou um pulso de corrente no guia de onda coplanar para interagir com o grafeno antes de chegar a uma chave detectora abrangendo ambos os traços. Na prática, os cientistas obtiveram menos ruído controlando o comprimento do caminho óptico e detectando a corrente, para medir o perfil no domínio do tempo do pulso de tensão transmitido (dV / dt).

Depois de otimizar as condições experimentais, os cientistas investigaram pela primeira vez a condutividade óptica do líquido Fermi a 77 K (T ₀ ) As formas de onda transmitidas continham nítidas, recursos de subpicosegundos que evoluíram com a tensão da porta para resultar em transmissão máxima com neutralidade de carga. Para extrair a condutividade óptica dos dados no domínio do tempo e justificar as simulações de elementos finitos, os cientistas modelaram o dispositivo como um infinito, linha de transmissão sem perdas. Gallagher et al. em seguida, sondou o transporte na neutralidade de carga, observando a mudança na transmissão terahertz (∆V), aquecendo opticamente o sistema de elétrons de T ₀ =77 K a temperaturas variáveis ​​de elétrons (T _e ) Para variar a temperatura na configuração experimental, eles ajustaram o atraso entre a bomba óptica e o pulso da sonda terahertz.

Em todas as medidas, os cientistas doparam fortemente o grafeno abaixo dos traços do guia de ondas para minimizar sua impedância. As taxas de espalhamento extraídas a 77 K estavam abaixo de 0,5 e 1 THz, indicando dispersão infrequente por desordem e fônons, consistente com estudos de transporte anteriores de dopagem semelhante; confirmando assim o comportamento líquido Fermi antecipado do grafeno. Os cientistas investigaram o transporte com neutralidade de carga, observando a mudança na transmissão de terahertz. Por esta, eles aqueceram opticamente o sistema e calcularam a mudança correspondente na condutividade e na corrente transportada no grafeno de carga neutra sob condições experimentais. A evolução linear observada nos experimentos foi uma marca registrada das interações carga-portador no fluido de Dirac quântico-crítico.

Desta maneira, Gallagher et al. elegantemente demonstrou a concordância quantitativa entre os resultados experimentais e a teoria hidrodinâmica relativística do grafeno fluido de Dirac. Os cientistas sugeriram que o grafeno deveria hospedar fenômenos relativísticos que não são observados em sistemas eletrônicos típicos (aos quais a hidrodinâmica relativística não se aplica). Por exemplo, em metais convencionais, as ondas sonoras eletrônicas se transformam em plasmons ou são destruídas pelo relaxamento do momentum. Contudo, os novos resultados indicam que tais ondas podem existir no grafeno de carga neutra como resultado de baixa desordem e acoplamento zero aos modos de plasmon. O trabalho experimental de Gallagher et al. assim, forneceu acesso à física sutil e rica da hidrodinâmica relativística do grafeno em um experimento de bancada. Futuros experimentos podem investigar a ressonância cíclotron do grafeno em altas temperaturas.

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