[科普中国]-石墨烯中发现“超级弹性”电子

物理学家组织网23日报道称，因成功制备单原子层厚石墨烯而获得诺贝尔物理学奖的安德烈·海姆团队，观察到电子在石墨烯中违背常识的运动行为及导电机制，并阐述了对这种导电材料的物理学特性的全新认识。成果发布在最新一期《自然·物理学》杂志上。

石墨烯导电性能比铜高，部分原因在于其独特的二维结构。在大多数金属中，电导率受到晶体缺陷的限制，当电子通过材料时，会像台球一样频繁散射。纳米电子输运理论中，兰道尔-布蒂克电导公式对此类弹性电子散射特性的描述表明，正常导电材料要提升导电率，面临严苛的限制。

但海姆领导的英国曼彻斯特大学研究团队的最新成果显示，这一基本限制可能在石墨烯材料中被打破。在英国国家石墨烯研究所进行的实验观察，提供了对石墨烯中电子流的特殊行为的基本理解。包括曼彻斯特大学在内的三个不同团队的实验表明，在某些温度下，电子彼此碰撞，竟开始频繁地像黏性液体一样流动。

海姆表示：“教科书说，额外的障碍总是产生额外的电阻，但在这种情况下，随着温度的升高，电子散射引起的障碍实际上却降低了电阻，电子像液体那样流动的速度竟比在真空中自由传播还快，这种独特现象完全违背了直觉！”

通常散射事件会降低材料导电性，但此次观察结果颠覆常识——一些电子黏滞在石墨烯晶体边缘附近，其动能耗散最高，移动也最缓慢；同时，它们保护临近的电子免于碰撞这些区域，导致另一些电子由于这些“朋友”的帮忙，弹性变得超级好，流动起来顺畅无比，传导性能骤增。

更重要的是，通过研究电阻如何随温度变化，科学家发现了一个新的物理量——黏性电导，对其进行的反复测试乃至定性研究，都十分有利于指导未来纳米级电子电路的设计，有利于对石墨烯材料的深入理解。

总编辑圈点

这无疑是石墨烯研究进程中的重大发现！几十年前，科学家就在探讨，金属中高度黏性电子的流动可能性。去年2月，海姆团队发现，石墨烯中的电子在常温下同时兼具弹性和黏性。前者用于描述电子散射状态，后者则为电子流动能力“背书”。如今，本不相容的性质，继续在石墨烯中“荣辱与共”，共同书写微观世界的“神话”。