近日，來(lái)自西班牙加泰羅尼亞納米科學(xué)與技術(shù)研究所的Klaas-Jan Tielrooij研究團(tuán)隊(duì)，以《Observation of giant and tunable thermal diffusivity of a Dirac fluid at room temperature》為題在Nature Nnotechnology期刊發(fā)表研究成果，研究者們觀察了擴(kuò)散和流體力學(xué)狀態(tài)下石墨烯中的熱傳遞，報(bào)道了室溫下以載流子溫度和載流子密度為控制開(kāi)關(guān)的可控向狄拉克流體狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，并介紹了具有飛秒時(shí)間和納米空間分辨率的時(shí)空熱電顯微鏡技術(shù)來(lái)跟蹤電子熱擴(kuò)散過(guò)程。

在擴(kuò)散區(qū)，熱擴(kuò)散系數(shù)約為2000cm2s?1，與電荷傳輸?shù)玫降慕Y(jié)果是一致；在動(dòng)量弛豫之前的流體動(dòng)力學(xué)時(shí)間窗口內(nèi)，熱擴(kuò)散系數(shù)高達(dá)70000cm2s?1，表明這個(gè)過(guò)程存在狄拉克流體。本研究為進(jìn)一步探索這些物理現(xiàn)象及其在納米尺度熱管理中的潛在應(yīng)用提供了可能。本文使用六角形氮化硼(HBN)封裝的石墨烯器件，它既用于電學(xué)測(cè)量的霍爾棒，也是一個(gè)分柵熱電探測(cè)器。使用超短激光脈沖，大約有200fs的儀器響應(yīng)時(shí)間來(lái)產(chǎn)生電子熱，所以能夠在動(dòng)量松弛發(fā)生之前檢查系統(tǒng)，并測(cè)量了大約350fs的動(dòng)量松弛時(shí)間τmr。在流體動(dòng)力學(xué)窗口期間，狄拉克流體區(qū)域比費(fèi)米液體區(qū)域和擴(kuò)散區(qū)域發(fā)生的熱傳播效率要高得多。另外，由于熱電光電電流與入射功率呈亞線性關(guān)系，因此可以通過(guò)以不同的頻率f1和f2調(diào)制每束激光束，并解調(diào)熱電電流來(lái)隔離這種相互作用的熱流ΔITE。

時(shí)空熱電顯微鏡（Spatiotemporal thermoelectric microscopy）和熱擴(kuò)散機(jī)制

隨著|?t|的增加，歸一化信號(hào)在空間上進(jìn)一步擴(kuò)展，這表明發(fā)生了熱擴(kuò)散。該空間擴(kuò)散通過(guò)第二矩<Δx2>來(lái)量化不同時(shí)間延遲方法下的輪廓的寬度，通過(guò)對(duì)衍射極限輪廓的精確空間采樣來(lái)獲得超出衍射極限的空間信息。通過(guò)模擬比較顯示，根據(jù)熱擴(kuò)散方程，模擬的熱擴(kuò)散和理論的熱擴(kuò)散的初始斜率是相同的。

熱量傳輸?shù)臅r(shí)空跟蹤 研究表明Te/Tf越大，信號(hào)越寬，表明熱傳輸速度更快。通過(guò)定量比較，擴(kuò)散區(qū)的計(jì)算D約為2000cm2s?1，與擴(kuò)散區(qū)的定量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致，在靠近狄拉克點(diǎn)的流體動(dòng)力窗口中獲得的熱擴(kuò)散系數(shù)達(dá)到100000cm2s?1以上。在室溫下，狄拉克流體區(qū)域的熱擴(kuò)散系數(shù)比擴(kuò)散區(qū)域的擴(kuò)散系數(shù)大近兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

費(fèi)米液體到狄拉克液體的交叉

本文的結(jié)果表明，與狄拉克流體相關(guān)的物理現(xiàn)象直到最近還沒(méi)有得到充分的研究，而狄拉克流體具有巨大的應(yīng)用前景，例如在納米設(shè)備的熱管理方面。在用標(biāo)準(zhǔn)制造技術(shù)制備的系統(tǒng)中，可以使用適度的柵極電壓來(lái)開(kāi)啟和關(guān)閉量子臨界行為。文中引入的光電子技術(shù)（具有提高空間精度和時(shí)間分辨率的潛力）將成為更好地理解廣泛的量子材料的熱行為的高效工具，具有巨大的新技術(shù)應(yīng)用前景。

審核編輯 ：李倩