通讯单位：（西班牙）加泰罗尼亚纳米科学与技术研究所
DOI：https://doi.org/10.1038/s41565-021-00957-6
导热材料的导热原理通常由热扩散或和电荷传输组成。当电子-电子相互作用占主导地位时，则会出现带有粘性电荷流动的流体动力学区域。而更严格的条件则会产生量子临界狄拉克流体区域，其中电子热可以比电荷更有效地传输从而提升传热。然而，到目前为止，在室温下的流体力学状态下观察和控制电子热的流动仍然不明确。
本文观察了扩散和流体力学状态下石墨烯中的热传递，并报道了室温下以载流子温度和载流子密度为控制开关的可控向狄拉克流体状态的转变。本文介绍了具有飞秒时间和纳米空间分辨率的时空热电显微镜技术，它可以跟踪电子热扩散过程。在扩散区，本文发现热扩散系数约为2000cm2 s−1，这与电荷传输得到的结果是一致的。此外，在动量弛豫之前的流体动力学时间窗口内，本文观测到热扩散对应于高达70000cm2 s−1的十分巨大的扩散系数，这表明这个过程存在狄拉克流体。本文的结果为进一步探索这些有趣的物理现象及其在纳米尺度热管理中的潜在应用提供了可能。
▲图1|时空热电显微镜（Spatiotemporal thermoelectric microscopy）和热扩散机制。
● 本文使用六角形氮化硼(HBN)封装的石墨烯器件，它既是用于电学测量的霍尔棒，也是一个分栅热电探测器(图1a)。由于本文使用超短激光脉冲，大约有200fs的仪器响应时间(ΔtIRF表示仪器响应函数)来产生电子热，所以能够在动量松弛发生之前检查系统，本文测量了大约350fs的动量松弛时间τmr。
● 本文提出的方法还利用了较高的载体温度，这大大增加了狄拉克流体区域的可及性，因为提高载体温度，交叉发生在离狄拉克点越来越远的地方(图1b)。正如本文将展示的那样，在流体动力学窗口期间，狄拉克流体区域比费米液体区域和扩散区域发生的热传播效率要高得多(图1c，d)。
● 另一方面，由于热电光电电流与入射功率呈亚线性关系，因此可以通过以不同的频率f1和f2调制每束激光束，并在不同频率f1和f2解调热电电流来隔离这种相互作用的热流ΔITE。如图1e，f所示，扩散系数D越高，Δx和Δt增加所剩下的相互作用热流就越多。
● 图2a显示了测量的相互作用热流ΔITE作为Δx和Δt的函数。正如预期的那样，最大的ΔITE出现在pn结处最大的时空重叠处(Δx=Δt=0)。随着|∆t|的增加，本文发现归一化信号在空间上进一步扩展，这表明发生了热扩散(图2b)。
● 该空间扩散通过第二矩<Δx2>来量化，该矩量化了不同时间延迟方法下的轮廓的宽度。类似于全光时空显微镜，本文通过对衍射极限轮廓的精确空间采样来获得超出衍射极限的空间信息。实验获得的空间扩散作为Δt的函数(图2c)与通过模拟给定扩散系数D的实验获得的计算结果(图2d)非常相似。
● 本文还将模拟的空间扩散<Δx2>与Δt(图2e中的蓝色虚线)与根据热扩散方程<Δx2>=<Δx2>focus +2DΔt(图2e中的虚线)的理论期望值进行了比较。结果显示，根据热扩散方程，模拟的热扩散和理论的热扩散的初始斜率是相同的。
● 图3a-d显示了四个代表性的空间∆ITE图，它们具有不同的Te/Tf，但信号幅度相似。显然，Te/Tf越大，信号越宽，表明热传输速度更快。
● 本文对一定范围的Te和Tf值进行重复测量，并使用宽度为σx和σy的高斯函数来量化初始热扩散，以将∆ITE在Δt=0处的热扩散描述为Δx或Δy的函数(图3e，f)。正如预期的那样，从扩散费米液体区域到流体动力狄拉克流体区域的交叉，空间分布σx和σy都随着Te/Tf的增加而显著增加。这些扩散对应于高达40000 cm2 s−1的扩散系数，类似于本文作者早先发现的70000 cm2 s−1。
● 更定量的比较表明，扩散区的计算D约为2000 cm2 s−1 (图3h)，与扩散区的定量实验数据一致。在靠近狄拉克点的流体动力窗口中获得的热扩散系数达到100000 cm2 s−1以上，甚至高于本文的实验估计值35000~70000 cm2 s−1。
● 本文使用计算的扩散系数估计了时间为零的σcalc下的空间扩散，如图3g所示。这些结果与实验结果相似，从而证实了本文的结论，即在室温下，狄拉克流体区域的热扩散系数比扩散区域的扩散系数大近两个数量级。本文注意到，理论计算预测甚至可以达到更高的扩散系数。
总之，本文的结果表明，与狄拉克流体相关的物理现象直到最近还没有得到充分的研究，而狄拉克流体具有巨大的应用前景，例如在纳米设备的热管理方面。本文注意到，在用标准制造技术制备的系统中，可以使用适度的栅极电压来开启和关闭量子临界行为。最后，本文相信，本文引入的光电子技术（具有提高空间精度和时间分辨率的潜力）将成为更好地理解广泛的量子材料的热行为的高效工具，具有巨大的新技术应用前景。
https://www.nature.com/articles/s41565-021-00957-6
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