相对论流体动力学也出现在量子元件上！台师大研究揭开石墨烯材料之谜 https://pansci.asia/archives/156709 国立台湾师范大学光电工程研究所助理教授杨承山与美国加州大学柏克莱分校 (UCBerkeley)物理系合作，发现并成功解释超洁净石墨烯中的量子临界相对论电浆现象， 并刊登於最新一期的全球最权威学术期刊《科学》（Science），解开十几年来於二维材 料科学中无法解释的谜题。 揭示石墨烯存在於典型电子系统中观察不到的相对论现象，对未来在超快量子元件的发展 ，占有非常举足轻重的角色。而微小化的兆赫波系统设计，更可望使兆赫波技术於高速无 线通讯、仪器与检测、新颖材料及国土安检系统广泛应用，进而改变人类生活。 石墨烯是甚麽？ 石墨烯（Graphene）是由炭原子以 sp2混成轨域组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，厚度 只有一个碳原子，是目前已知最坚硬的奈米材料。近年来石墨烯的出现在科学界激起了巨 大波澜，引发了研究热潮。经过十多年研究，科学家发现，石墨烯是电阻率最小、导电性 最佳，已知强度最高的物质，其透光性、导热性、韧性非常好。可应用於透明触控萤幕或 太阳能电池。 科学家还发现，石墨烯可产生兆赫（terahertz, THz）范围的辐射—将红外线照射到石墨 烯薄膜上，只需很短时间就能放射出兆赫的光源，进而开发出能在室温条件下工作的高性 能兆赫波雷射器。 兆赫波的广泛应用 兆赫波是指辐射频率介於 0.1 THz 到 10 THz，波长范围介於微波与红外线之间的电磁波 。由於其可应用在各式安检设备，如海关、警局、医院等，用来检测X光侦测不到的塑胶 炸弹、陶瓷武器及生物药剂等危险物品；在医学方面的应用，由於兆赫波的光子能量较低 ，影响人体的辐射能量远低於Ｘ光，非常安全，甚至可在做生医检测时，更精准地知道手 术成功机率； 在通讯方面，未来进入 5G 时代，兆赫波比目前使用的微波传输频宽更广，与光纤通讯网 路结合，将能突破传递的距离限制，提供更快的网路服务，甚至比 Wi-Fi 标准快上数百 倍速度。 综合以上所述，兆赫波被全世界列为十大重要技术之一。过去科学家不知道如何稳定的产 生兆赫波光源，直到 30 年前发明超快雷射後，可使用它所发射的飞秒脉冲产生兆赫波， 才渐渐开始发展，并进行全面之科学研究，属於未来光电科技的新兴领域。 石墨烯应具有相对论现象！ 台湾师大光电所杨承山助理教授、美国加州大学柏克莱分校物理系王枫教授以及其博士後 研究员 Patrick Gallagher 等人所组成的跨国研究团队，费时近两年时间完成这项突破 性成果，整个实验品大小约 3 平方公分。 团队预期接近电中性的石墨烯应该像量子临界相对论性电浆态「狄拉克流体」一样，这是 一种由相对论流体动力学描述的电子和电洞的量子临界电浆体。团队使用兆赫波微小晶 片 (On-chip) 波导光谱系统，测量石墨烯中电子温度介於 77 K和室温 (300 K) 之间的 量子临界相对论电浆现象。其中包括发现狄拉克流体 (Dirac Fluid) 的临界散射率特徵 ；以及发现其在较高掺杂浓度时，发现了同时具有零和非零总动量这两种截然不同的载流 模式，其为相对论流体动力学的一种重要表现形式。 这项研究工作揭示了材料的量子临界性，其中每个部份处於有序和无序的量子叠加（类似 於薛丁格的猫，在死和活着的量子态中叠加），以及石墨烯中电荷中性附近的异常动态激 发。Landau 的费米液态(Fermiliquid)理论将典型金属的电子相互作用定义为一种无交互 作用准粒子的理想气体。 然而，在石墨烯中，由於其线性能带结构和强烈地库仑交互作用，该理论并不适用。在轻 度掺杂的情况下，研究团队发现电流可以通过两种不同的零和非零总动量模式来承载。随 着掺杂浓度的增加，零动量模式的行为会减少，而有限动量模式则会增加，进而形成从狄 拉克流体到费米液体行为的过渡现象。 而在实际的实验进行方式上，兆赫波时域光谱可在相当宽频之范围观察量子临界导电率， 非常适合用於观察该现象。然而，由於兆赫波绕射极限的关系，传统的兆赫光谱仪仅能用 於量测缺陷较多，动量较低的大面积石墨烯薄膜，进而观测不到狄拉克流体的特性。 在此工作中，跨国研究团队利用兆赫波微小晶片波导光谱系统，测量石墨烯中电子温度介 於 77K 和室温 (300K) 之间的量子临界相对论电浆现象，以确认电荷中性附近的量子临 界散射率。为了改变材料环境的温度，研究团队调整了激发光和兆赫探测脉冲之间的时间 延迟，通过观察兆赫波传输的穿透率变化来描述电荷中性下之载子运输。 透过这种方式，此跨国研究团队证明了狄拉克流体在石墨烯的实验结果与相对论流体动力 学理论之间的定量一致性，意味着石墨烯应具有相对论现象，这在典型的电子系统中是看 不到的，相对论流体动力学在典型的电子系统并不适用。 http://science.sciencemag.org/content/early/2019/02/27/science.aat8687?fbclid=IwAR21LX1fyYd5f3xst3-aogYh0cnJ-ItUxGVm8Wqw-kIdBXtfQmmyt-UhHzA --

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