利用石墨烯研究黑洞？

Scientists at Harvard and Raytheon BBN Technology have made a breakthrough in our understanding of graphene’s basic properties, observing for the first time electrons in a metal behaving like a fluid (Credit: Peter Allen/Harvard SEAS).

一大群基本粒子彼此間的距離夠遠，會表現得像氣體；距離很近，就會表現得像液體。然而，帶相同電性的基本粒子會相斥，帶不同電性的則會相吸；所以帶電粒子幾乎不可能聚在原子尺度而呈現出流體的行為。這似乎是一個一個簡單的常識。除非有非常大的外力能把大量的同電性的基本粒子壓縮在很小空間裡（例如黑洞），或是很高能量的環境讓不同電性的基本粒子因具有極大的動能而不易中和（例如超新星）。然而，美國哈佛大學(Harvard University)與雷神BBN科技公司(Raytheon BBN Technology)的研究人員發現帶電粒子在高純度石墨烯裡可以近距離互動而表現出相對論性(relativistic)液體行為。這個發現意味著可以更有效率地把熱轉變為電，亦可以利用石墨烯來更精確的研究超新星或黑洞之類的遙遠星體。

由於單層石墨烯對環境非常敏感，因此這個研究從如何製作與外界隔絕的石墨烯開始。要製作高品質石墨烯並不困難，基本上只要用膠帶反覆剝開石墨晶體直到單層就行了。然而，單層石墨烯只有一個原子厚度，因此要把這麼纖薄柔軟的材料與外界徹底隔離以進行研究並不容易。由Philip Kim教授所領軍的研究團隊最近找到了一種隔離單原子石墨烯的方法，並且已經用這種方法發現了石墨烯的另一個重要的特性。他們首次在石墨烯裡發現帶電粒子的行為就像是流體一般，意即，不同於相同電性的粒子在流動時會互斥，它們甚至更傾向於彼此碰撞，碰撞頻率可達每秒10的12次方次。

Kim用來隔離石墨烯的方法是利用兩片氮化硼(BN)把單層石墨烯夾在中間，僅僅邊緣的石墨烯有露出來。絕緣且透明的氮化硼晶體跟石墨烯一模一樣是二維蜂巢結構，不同只在於原子是交替的氮與硼原子而不是碳原子，因此又被稱之為「白石墨烯(white graphene)」。研究人員將帶電粒子包圍在露出來的石墨烯周圍，並且觀察在施加熱流與電流時這些帶電粒子的行為。大部分的導體在施加電場時，帶負電的電子會流向一側而帶正電的電洞會流向另一側；反之，在兩端施加溫度梯度時，無論電子或電洞都會由高溫側流向低溫側。在這兩個狀況中，帶電粒子間都很難產生交互作用。

然而，Kim和同事卻發現在高品質石墨烯裡卻是完全不一樣的另一幅風景。幾何上二維與蜂巢晶體結構強迫帶電粒子沿著相同的路徑流動，因而彼此很容易發生碰撞而產生很強的交互作用。這種準相對論性電漿態(quasi-relativistic plasma)已知被稱為狄拉克流體(Dirac fluid)。論文的共同作者Andrew Lucas表示，在石墨烯裡發現準相對論性電漿態意味著科學家在研究黑洞與弦論時所發現的物理，現在在石墨烯裡也看得到了。因為這是相對論性流體力學(relativistic hydrodynamics)第一次在金屬性材料中被觀察到。換句話說，石墨烯不只在未來奈米電子領域可以大放異彩，科學家甚至可以利用用石墨烯來了解那些原本只出現在遙遠星際物質裡的複雜量子現象。

Kim的團隊也發現狄拉克流體讓石墨烯的熱導率不尋常的增加，原因在於電子或電洞會沿著溫度梯度方向流動，大多數的情況下只有一種載子（電子或電洞）會在流動時攜帶熱。在Kim的研究中電子與電洞則可以一起帶著熱流動而不會彼此中和，熱導率因而增加。就一般消費者而言，可以操控載子行為與熱導率意味著高品質石墨烯或許也是製作低能量損失的高效能熱電元件的理想候選。石墨烯的輕盈性或可在未來將之整合在服裝裡利用體溫發電。

相關研究在2016年2月11日刊登在Science線上版。

責任編輯：莊鎮宇
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Jesse Crossno, et al., Science, 2016(ASAP)
DOI: 10.1126/science.aad0343