石墨烯中的热扩散

近日，来自西班牙加泰罗尼亚纳米科学与技术研究所的Klaas-Jan Tielrooij研究团队，以《Observation of giant and tunable thermal diffusivity of a Dirac fluid at room temperature》为题在Nature Nnotechnology期刊发表研究成果，研究者们观察了扩散和流体力学状态下石墨烯中的热传递，报道了室温下以载流子温度和载流子密度为控制开关的可控向狄拉克流体状态的转变，并介绍了具有飞秒时间和纳米空间分辨率的时空热电显微镜技术来跟踪电子热扩散过程。

在扩散区，热扩散系数约为2000cm2s−1，与电荷传输得到的结果是一致；在动量弛豫之前的流体动力学时间窗口内，热扩散系数高达70000cm2s−1，表明这个过程存在狄拉克流体。本研究为进一步探索这些物理现象及其在纳米尺度热管理中的潜在应用提供了可能。本文使用六角形氮化硼(HBN)封装的石墨烯器件，它既用于电学测量的霍尔棒，也是一个分栅热电探测器。使用超短激光脉冲，大约有200fs的仪器响应时间来产生电子热，所以能够在动量松弛发生之前检查系统，并测量了大约350fs的动量松弛时间τmr。在流体动力学窗口期间，狄拉克流体区域比费米液体区域和扩散区域发生的热传播效率要高得多。另外，由于热电光电电流与入射功率呈亚线性关系，因此可以通过以不同的频率f1和f2调制每束激光束，并解调热电电流来隔离这种相互作用的热流ΔITE。

时空热电显微镜（Spatiotemporal thermoelectric microscopy）和热扩散机制

随着|∆t|的增加，归一化信号在空间上进一步扩展，这表明发生了热扩散。该空间扩散通过第二矩<Δx2>来量化不同时间延迟方法下的轮廓的宽度，通过对衍射极限轮廓的精确空间采样来获得超出衍射极限的空间信息。通过模拟比较显示，根据热扩散方程，模拟的热扩散和理论的热扩散的初始斜率是相同的。  

热量传输的时空跟踪   　　研究表明Te/Tf越大，信号越宽，表明热传输速度更快。通过定量比较，扩散区的计算D约为2000cm2s−1，与扩散区的定量实验数据一致，在靠近狄拉克点的流体动力窗口中获得的热扩散系数达到100000cm2s−1以上。在室温下，狄拉克流体区域的热扩散系数比扩散区域的扩散系数大近两个数量级。  

费米液体到狄拉克液体的交叉

本文的结果表明，与狄拉克流体相关的物理现象直到最近还没有得到充分的研究，而狄拉克流体具有巨大的应用前景，例如在纳米设备的热管理方面。在用标准制造技术制备的系统中，可以使用适度的栅极电压来开启和关闭量子临界行为。文中引入的光电子技术（具有提高空间精度和时间分辨率的潜力）将成为更好地理解广泛的量子材料的热行为的高效工具，具有巨大的新技术应用前景。

审核编辑 ：李倩