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科学|苏黎世联邦理工学院ChristianLDegen |石墨烯

在高迁移率导体中，电子之间的相互作用可以导致类似于经典流体力学描述的传输特性。使用纳米级扫描磁力计，在室温下观察到二维石墨烯器件中独特的流体传输模式—— 静止电流涡流。通过测量特征尺寸不断增加的装置，观察到电流涡流的消失，验证了流体动力学模型的预测。进一步观察到，涡流在空穴主导和电子主导的传输模式中都存在，但在双极化模式中消失。这种现象归因于电荷中性点附近涡流扩散长度的减小。这项工作展示了局部成像技术揭示奇异介观输运现象的潜力。

图1 扫描实验示意图。 (A) 封装单层石墨烯(hBN-MLG-hBN) 装置和扫描氮空位磁力计的配置。 hBN，六方氮化硼。 (B) 所研究的石墨烯器件的表面形态（原子力显微镜）图像。该装置由主通道和不同半径的圆盘形侧袋组成。圆盘开度大约为R（设计时60）。亮点是金色触点。 I0 是源极-漏极电流。 (C) 扩散区电流示意图。 (D) 在流体动力区，圆盘中的电流流动方向相反。

图2 电流涡流的观察。 (A) 掺杂空穴态(n1.71012cm2) 下测量的沟道流速（上）、横向流速（中）和电流密度矢量速度分布（下）。 (B) 使用流体动力学模型(D=0.28 m) 模拟相同的几何形状。 (C) 使用扩散模型进行模拟(D=0.001m)。两次模拟均使用无滑移边界条件。模拟图经过低通滤波，以便与实验“总和”图进行直接比较(38)。虚线表示设备边缘。比例尺，1 m。测量在室温下进行。

图3 光盘大小决定传输模式。 （A和B）横流随盘半径R的变化。上排（A）是实验数据，下排（B）是使用D=0.28 m并采用无滑移边界条件的模拟数据。所有图表均针对器件电流I0 进行归一化。比例尺，1 m。 (C) 显示从涡流到无涡流转变的示意图。 (D) 回流的幅度随圆盘尺寸和Guzki 长度的变化而变化（数值模拟）。横坐标是圆盘半径，纵坐标是古兹基长度。该图显示了点(R/2,0) 相对于圆盘中心的横向电流密度的幅度：='/2,0'/2,0/2，从点(A) 开始， (B) 中的点。黑色方块来自面板(B) 中的模拟数据。水平中心线对应于D=0.28 m。虚线表示临界器件尺寸，在该尺寸处'的符号以Rcritacrit变化。 (E) 横向电流密度随R 的变化。红点是面板(A) 中地图的实验数据（误差线是两个标准差）。这些曲线对应于使用D=0.28 m 执行的模拟(38)，分别假设无滑移边界条件（黑色实线）和有限滑移长度（lb=81 nm，蓝色虚线）。测量在室温下进行。

图4 与载流子相关的Gutzky 长度。 (A) 掺杂有n0.91012cm2 的空穴（左）、接近电荷中性（中）和掺杂有n0.91012cm2 的电子（右）的R=0.6 m 圆盘的实验横流。比例尺，1 m。 (B)显示(A)中扫描的电子能带结构和费米能级位置的示意图。 (C) Gutzky 长度D 随载流子密度n 的变化。滑移长度lb和通道流动剖面相应的拟合图分别如图S3和图S4所示。灰色区域代表双极传输区域（[kB 是玻尔兹曼常数；参见(38)]）。 D值的不确定性约为0.025m，主要是由于对器件几何形状的不准确了解而引起的系统误差[参见（38）和图S6]。测量在室温下进行。

MariusL.Palm、丁超新、WilliamS.Huxter、TakashiTaniguchi、KenjiWatanabe、ChristianL.Degen*，室温下石墨烯中当前漩涡的观察，科学，2024,384,465。

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