粘性电子：流体状电子正在开启新的技术可能性

在高中科学课上，我们了解到，将电缆插入电路会引发电子流，为从灯到手机的所有东西供电。传统上，我们通过这个简单的模型了解了电子在金属和半导体中的行为：电子被想象成微小的独立粒子，就像开放高速公路上的汽车一样——每个粒子都自由移动，彼此之间没有太多相互作用

这是一个简单的视角，多年来一直是电子学的基础，帮助我们理解和设计支撑现代生活的电子设备

然而，对于一些新兴的量子材料，如超薄和高导电材料石墨烯，这种传统观点是不够的。在这些材料中，电子的行为不像高速公路上的单个汽车，而是以一种类似于石油等粘性流体的方式共同作用。这一发现可能会对广泛技术的未来发展产生变革性影响

来自新加坡国立大学设计与工程学院材料科学与工程系的助理教授Denis Bandurin和他的团队正在探索量子材料如何在纳米尺度上与电磁辐射相互作用，以揭示新的科学现象及其在开发未来技术中的潜在用途

在最近发表在《自然纳米技术》上的一项研究中，该团队报告说，当石墨烯暴露在太赫兹频率的电磁辐射中时，电子流体会加热，其粘度会大大降低，从而导致电阻降低——就像油、蜂蜜和其他粘性流体在炉子上加热时更容易流动一样

太赫兹（THz）波是电磁波谱中一个特殊且技术上具有挑战性的部分，位于微波和红外光之间，具有广泛的潜在应用。能够探测太赫兹波可以开启技术的重大进步

例如，在通信领域，当前的Wi-Fi技术以几GHz的频率运行，限制了可以传输的数据量。太赫兹辐射的频率要高得多，可以作为超高速、超5G网络的“载波频率”，为物联网（IoT）连接设备、自动驾驶汽车和无数其他应用提供更快的数据传输

在医学成像和工业质量控制中，太赫兹波可以穿透许多材料，使其可用于非侵入性扫描。它们也比X射线更安全，提供了一种高度选择性和精确的成像工具

在更远的地方，太赫兹视觉使观测天文学成为可能，使科学家能够观测到可见光无法看到的遥远星系和系外行星

因此，太赫兹辐射具有巨大的潜力。然而，直到最近，检测它一直是一个重大挑战。太赫兹波对于传统半导体芯片来说太快了，对于传统光电器件来说太慢了

美国国立大学团队的研究表明，通过利用粘度降低效应，科学家可以创造出创新的设备，通过感应电阻的变化来检测太赫兹波。事实上，在目前的研究中，班杜林助理教授和他的团队开发了一种新型电子设备，称为粘性电子测辐射热计

这些测辐射热计代表了粘性电子技术的第一个实际应用——这一概念曾被认为是纯粹的理论——它们能够极其准确和快速地感知电阻的变化，原则上以皮秒级运行。换句话说，万亿分之一秒

理解和利用电子作为集体流体一起移动的方式，为我们彻底重新思考电子设备的设计开辟了道路。考虑到这一点，Bandurin助理教授和他的团队正在积极优化这些粘性电子测辐射热计的实际应用

随着科学家们在新兴的量子材料领域发现了更多的秘密，很明显，传统的电子行为模型已经不够了。通过接受这种对粘性电子的新理解，我们可能即将开启新一轮的技术可能性 More information: M. Kravtsov et al, Viscous terahertz photoconductivity of hydrodynamic electrons in graphene, Nature Nanotechnology (2024). DOI: 10.1038/s41565-024-01795-y

Journal information: Nature Nanotechnology