Ci si aspetta che il grafene si comporti come un critico quantistico, plasma relativistico noto come "fluido di Dirac" vicino alla neutralità di carica in cui elettroni e lacune senza massa si scontrano rapidamente. In un recente studio ora pubblicato in Scienza , Patrick Gallagher e collaboratori presso i dipartimenti di fisica e scienza dei materiali negli Stati Uniti, Taiwan, La Cina e il Giappone hanno utilizzato la spettroscopia terahertz su chip e hanno misurato per la prima volta la conduttività ottica del grafene dipendente dalla frequenza tra 77 K e 300 K di temperature degli elettroni. Inoltre, gli scienziati hanno osservato la velocità di dispersione quantistica critica caratteristica del fluido di Dirac. A doping più elevato, Gallagher et al. ha scoperto due distinti modi di trasporto di corrente con momenti totali zero e diversi da zero come manifestazione dell'idrodinamica relativistica.

Il lavoro ha rivelato la criticità quantistica del materiale in cui ogni sito si trova in una sovrapposizione quantistica di ordine e disordine (simile all'ipotetico gatto di Schrödinger in una sovrapposizione quantistica di "morto" e "vivo") e l'insolita eccitazione dinamica nel grafene vicino alla carica neutralità. I fisici considerano gli effetti relativistici quantistici nei sistemi sperimentali che influenzano la materia condensata troppo piccoli per una descrizione accurata mediante l'equazione di Schrödinger non relativistica. Di conseguenza, studi precedenti hanno riportato su sistemi di materia condensata sperimentali come il grafene (un singolo strato atomico di carbonio) in cui il trasporto degli elettroni era governato dall'equazione (relativistica) di Dirac.

La teoria di Landau del liquido di Fermi definisce le interazioni elettroniche di un metallo tipico come un gas ideale di quasiparticelle non interagenti. Nel grafene monostrato, questa descrizione non si applica a causa della sua struttura di bande di dispersione lineare e interazioni di Coulomb minimamente schermate. Quasi neutralità di carica, il grafene dovrebbe quindi ospitare un "fluido di Dirac, " che è un plasma quanto-critico di elettroni e lacune che sono governati dall'idrodinamica relativistica. Nel grafene leggermente drogato, una conseguenza sorprendente dell'idrodinamica relativistica è che la corrente può essere trasportata da due modi distinti; con momento totale nullo e diverso da zero, indicato anche come "onde di energia" e "plasmoni" in alcuni studi.

Con l'aumento del doping, ci si aspettava che il peso della modalità a momento zero diminuisse, mentre quello del modo a momento finito è aumentato per passare agevolmente dal comportamento del fluido di Dirac al comportamento del liquido di Fermi. Esperimenti precedenti su clean, grafene monostrato hanno dimostrato la fisica a molti corpi nel grafene, con esempi inclusi studi sui fenomeni di trasporto a bassa frequenza coerenti con le descrizioni idrodinamiche. Ulteriori esperimenti hanno indicato la violazione della legge di Wiedemann-Franz - come firma del fluido di Dirac e come prova diretta del movimento collettivo in un fluido elettronico quantistico, e il flusso viscoso degli elettroni. Anche se le collisioni elettrone-lacuna hanno dimostrato di limitare la conduttività nel grafene a doppio strato di carica neutra, l'osservazione diretta della conduttività quanto-critica del fluido di Dirac è rimasta sfuggente.

Sperimentalmente, La spettroscopia terahertz nel dominio del tempo è una sonda ideale su un'ampia gamma di frequenze per osservare la conduttività quantistica critica, ma l'uso del dispositivo è limitato a pellicole di grande formato di qualità inferiore, all'interno della quale la fisica dei fluidi di Dirac è oscurata. Nel presente lavoro, perciò, Gallagher et al. sfruttato il confinamento della lunghezza d'onda di una guida d'onda complanare per misurare la conduttività ottica terahertz del grafene, a dieci micron di spessore in scala, incapsulato all'interno di nitruro di boro esagonale (HBN). Hanno usato la configurazione sperimentale per misurare la conduttività del materiale alle temperature degli elettroni (T _e ) compreso tra 77 e 300 K per confermare il tasso di scattering quanto-critico vicino alla neutralità della carica. Gli scienziati hanno anche dimostrato la coesistenza di modalità a momento zero e finito con doping diverso da zero.

Nella configurazione sperimentale, Gallagher et al. ha utilizzato interruttori fotoconduttori realizzati con materiali semiconduttori con una durata del vettore di circa un picosecondo (ps) per eseguire l'emissione e il rilevamento di impulsi terahertz. L'interruttore dell'emettitore a contatto con la traccia della guida d'onda inferiore è stato polarizzato con una tensione continua. Quando attivato da un impulso laser, l'emettitore polarizzato è diventato altamente conduttivo per 1 ps. Il processo ha iniettato un impulso di corrente nella guida d'onda complanare per interagire con il grafene prima di raggiungere un interruttore del rilevatore che copre entrambe le tracce. In pratica, gli scienziati hanno ottenuto un rumore inferiore controllando la lunghezza del percorso ottico e rilevando la corrente, per misurare il profilo nel dominio del tempo dell'impulso di tensione trasmesso (dV/dt).

Dopo aver ottimizzato le condizioni sperimentali, gli scienziati hanno prima studiato la conduttività ottica del liquido di Fermi a 77 K (T ₀ ). Le forme d'onda trasmesse contenevano nitide, caratteristiche del sub-picosecondo che si sono evolute con la tensione di gate per provocare la massima trasmissione a neutralità di carica. Per estrarre la conducibilità ottica dai dati nel dominio del tempo e giustificare le simulazioni agli elementi finiti, gli scienziati hanno modellato il dispositivo come un infinito, linea di trasmissione senza perdite. Gallagher et al. quindi ha sondato il trasporto a neutralità di carica osservando il cambiamento nella trasmissione di terahertz (∆V) riscaldando otticamente il sistema di elettroni da T ₀ =77 K al variare della temperatura degli elettroni (T _e ). Per variare la temperatura nel setup sperimentale, hanno regolato il ritardo tra la pompa ottica e l'impulso della sonda terahertz.

In tutte le misurazioni, gli scienziati hanno drogato pesantemente il grafene sotto le tracce della guida d'onda per minimizzare la sua impedenza. Le velocità di dispersione estratte a 77 K erano inferiori a 0,5 e 1 THz, indicando dispersione rara da disordine e fononi, coerente con precedenti studi sul trasporto di simili doping; confermando così l'atteso comportamento liquido di Fermi del grafene. Gli scienziati hanno sondato il trasporto a neutralità di carica osservando il cambiamento nella trasmissione dei terahertz. Per questo, hanno riscaldato otticamente il sistema e hanno calcolato la corrispondente variazione di conduttività e la corrente trasportata nel grafene a carica neutra in condizioni sperimentali. L'evoluzione lineare osservata negli esperimenti è stata una firma chiave delle interazioni portante di carica nel fluido Dirac quanto-critico.

In questo modo, Gallagher et al. ha elegantemente dimostrato l'accordo quantitativo tra i risultati sperimentali e la teoria idrodinamica relativistica del grafene fluido di Dirac. Gli scienziati hanno insinuato che il grafene dovrebbe ospitare fenomeni relativistici che non si osservano nei tipici sistemi di elettroni (a cui non si applica l'idrodinamica relativistica). Ad esempio, nei metalli convenzionali, le onde sonore elettroniche si trasformano in plasmoni o vengono distrutte dal rilassamento del momento. Però, i nuovi risultati indicano che tali onde possono esistere nel grafene a carica neutra a causa del basso disordine e dell'accoppiamento zero con i modi plasmonici. Il lavoro sperimentale di Gallagher et al. ha così fornito l'accesso alla fisica sottile e ricca dell'idrodinamica relativistica del grafene in un esperimento da banco. Ulteriori esperimenti possono studiare la risonanza del ciclotrone del grafene ad alte temperature in futuro.

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