Le graphène devrait se comporter comme un critique quantique, plasma relativiste connu sous le nom de "fluide de Dirac" proche de la neutralité de charge dans lequel des électrons et des trous sans masse entrent rapidement en collision. Dans une étude récente maintenant publiée dans Science , Patrick Gallagher et ses collègues des départements de physique et de science des matériaux aux États-Unis, Taïwan, La Chine et le Japon ont utilisé la spectroscopie térahertz sur puce et mesuré pour la première fois la conductivité optique dépendante de la fréquence du graphène entre 77 K et 300 K de températures électroniques. En outre, les scientifiques ont observé le taux de diffusion critique quantique caractéristique du fluide de Dirac. À un dopage plus élevé, Gallagher et al. a découvert deux modes de transport de courant distincts avec des impulsions totales nulles et non nulles comme une manifestation de l'hydrodynamique relativiste.

Le travail a révélé la criticité quantique du matériau dans lequel chaque site est dans une superposition quantique d'ordre et de désordre (similaire à l'hypothétique chat de Schrödinger dans une superposition quantique de « mort » et « vivant ») et l'excitation dynamique inhabituelle dans le graphène près de la charge neutralité. Les physiciens considèrent que les effets relativistes quantiques dans les systèmes expérimentaux influençant la matière condensée sont trop infimes pour une description précise par l'équation de Schrödinger non relativiste. Par conséquent, des études antérieures ont fait état de systèmes de matière condensée expérimentaux tels que le graphène (une seule couche atomique de carbone) dans lesquels le transport des électrons était régi par l'équation (relativiste) de Dirac.

La théorie de Landau du liquide de Fermi définit les interactions électroniques d'un métal typique comme un gaz idéal de quasiparticules sans interaction. Dans le graphène monocouche, cette description ne s'applique pas en raison de sa structure de bandes à dispersion linéaire et d'interactions coulombiennes à filtrage minimal. Près de la neutralité de charge, le graphène devrait ainsi héberger un "fluide de Dirac, " qui est un plasma critique quantique d'électrons et de trous qui sont régis par l'hydrodynamique relativiste. Dans le graphène légèrement dopé, une conséquence surprenante de l'hydrodynamique relativiste est que le courant peut être transporté par deux modes distincts; avec des impulsions totales nulles et non nulles, également appelées « ondes d'énergie » et « plasmons » dans certaines études.

À mesure que le dopage augmentait, le poids du mode zéro impulsion devait diminuer, tandis que celui du mode à impulsion finie a augmenté pour passer en douceur du comportement du fluide de Dirac au comportement du liquide de Fermi. Expériences précédentes sur nettoyer, graphène monocouche ont démontré la physique à N corps dans le graphène, avec des exemples comprenant des études sur les phénomènes de transport à basse fréquence compatibles avec les descriptions hydrodynamiques. Des expériences supplémentaires ont indiqué une violation de la loi de Wiedemann-Franz - en tant que signature du fluide de Dirac et en tant que preuve directe du mouvement collectif dans un fluide électronique quantique, et le flux visqueux d'électrons. Même si les collisions électron-trou ont montré qu'elles limitaient la conductivité dans le graphène bicouche à charge neutre, l'observation directe de la conductivité quantique critique du fluide de Dirac est restée insaisissable.

Expérimentalement, la spectroscopie térahertz dans le domaine temporel est une sonde idéale sur une large gamme de fréquences pour observer la conductivité quantique critique, mais l'utilisation de l'appareil est limitée aux films grande surface de moindre qualité, dans lequel la physique des fluides de Dirac est obscurcie. Dans le travail present, donc, Gallagher et al. a tiré parti du confinement sous-longueur d'onde d'un guide d'ondes coplanaire pour mesurer la conductivité optique térahertz du graphène, à une épaisseur de dix microns, encapsulé dans du nitrure de bore hexagonal (HBN). Ils ont utilisé le montage expérimental pour mesurer la conductivité du matériau à des températures électroniques (T e ) compris entre 77 et 300 K pour confirmer le taux de diffusion critique quantique proche de la neutralité de charge. Les scientifiques ont également démontré la coexistence de modes à impulsion nulle et finie à dopage non nul.

Dans le montage expérimental, Gallagher et al. utilisé des commutateurs photoconducteurs constitués de matériaux semi-conducteurs avec une durée de vie d'environ une picoseconde (ps) pour réaliser l'émission et la détection d'impulsions térahertz. Le commutateur d'émetteur en contact avec la trace inférieure du guide d'ondes était polarisé avec une tension continue. Lorsqu'il est déclenché par une impulsion laser, l'émetteur polarisé est devenu hautement conducteur pendant 1 ps. Le processus a injecté une impulsion de courant dans le guide d'ondes coplanaire pour interagir avec le graphène avant d'atteindre un commutateur de détecteur couvrant les deux traces. En pratique, les scientifiques ont obtenu moins de bruit en contrôlant la longueur du chemin optique et en détectant le courant, pour mesurer le profil dans le domaine temporel de l'impulsion de tension transmise (dV/dt).

Après avoir optimisé les conditions expérimentales, les scientifiques ont d'abord étudié la conductivité optique du liquide de Fermi à 77 K (T 0 ). Les formes d'onde transmises contenaient des caractéristiques sub-picosecondes qui ont évolué avec la tension de grille pour aboutir à une transmission maximale à la neutralité de charge. Pour extraire la conductivité optique des données du domaine temporel et justifier les simulations par éléments finis, les scientifiques ont modélisé l'appareil comme un infini, ligne de transmission sans perte. Gallagher et al. puis sondé le transport à la neutralité de charge en observant le changement de transmission térahertz (∆V) en chauffant optiquement le système électronique de T 0 =77 K à des températures électroniques variables (T e ). Pour faire varier la température dans le montage expérimental, ils ont ajusté le délai entre la pompe optique et l'impulsion de la sonde térahertz.

Dans toutes les mesures, les scientifiques ont fortement dopé le graphène sous les traces du guide d'ondes pour minimiser son impédance. Les taux de diffusion extraits à 77 K étaient inférieurs à 0,5 et 1 THz, indiquant une diffusion peu fréquente par le désordre et les phonons, cohérent avec les études de transport précédentes de dopage similaire; confirmant ainsi le comportement liquide de Fermi anticipé du graphène. Les scientifiques ont sondé le transport à la neutralité de charge en observant le changement de transmission térahertz. Pour ça, ils ont chauffé optiquement le système et calculé le changement correspondant de conductivité et le courant transporté dans le graphène à charge neutre dans des conditions expérimentales. L'évolution linéaire observée dans les expériences était une signature clé des interactions charge-porteur dans le fluide de Dirac critique quantique.

De cette façon, Gallagher et al. a démontré avec élégance l'accord quantitatif entre les résultats expérimentaux et la théorie hydrodynamique relativiste du graphène fluide de Dirac. Les scientifiques ont laissé entendre que le graphène devrait héberger des phénomènes relativistes qui ne sont pas observés dans les systèmes électroniques typiques (auxquels l'hydrodynamique relativiste ne s'applique pas). Par exemple, dans les métaux conventionnels, les ondes sonores électroniques se transforment en plasmons ou sont détruites par relaxation de l'impulsion. Cependant, les nouveaux résultats indiquent que de telles ondes peuvent exister dans le graphène à charge neutre en raison d'un faible désordre et d'un couplage nul avec les modes plasmon. Le travail expérimental de Gallagher et al. ainsi donné accès à la physique subtile et riche de l'hydrodynamique relativiste du graphène dans une expérience de paillasse. D'autres expériences peuvent étudier la résonance cyclotron du graphène à haute température à l'avenir.

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