[論文レビュー] Quantum feedback at the solid-liquid interface: flow-induced electronic current and its negative contribution to friction

Baptiste Coquinot, Lydéric Bocquet+1 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2022

Quantum and electron transport phenomena参考文献 56被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、非平衡ケルディッシュ形式を用いて、固体-液体界面における量子力学的水圧クーロンドラッグの理論を展開し、液体の電荷揺らぎ（ハイドロン）と固体電子間のクーロン相互作用、および電子-フォノン結合が、流れに起因する電子的電流を生じることを示している。この電流が量子フィードバック効果を生成し、水圧摩擦を低減する。これにより、量子レベルでのナノスケール流体の制御が可能となる。

ABSTRACT

An electronic current driven through a conductor can induce a current in another conductor through the famous Coulomb drag effect. Similar phenomena have been reported at the interface between a moving fluid and a conductor, but their interpretation has remained elusive. Here, we develop a quantum-mechanical theory of the intertwined fluid and electronic flows, taking advantage of the non-equilibrium Keldysh framework. We predict that a globally neutral liquid can generate an electronic current in the solid wall along which it flows. This hydrodynamic Coulomb drag originates from both the Coulomb interactions between the liquid's charge fluctuations and the solid's charge carriers, and the liquid-electron interaction mediated by the solid's phonons. We derive explicitly the Coulomb drag current in terms of the solid's electronic and phononic properties, as well as the liquid's dielectric response, a result which quantitatively agrees with recent experiments at the liquid-graphene interface. Furthermore, we show that the current generation counteracts momentum transfer from the liquid to the solid, leading to a reduction of the hydrodynamic friction coefficient through a quantum feedback mechanism. Our results provide a roadmap for controlling nanoscale liquid flows at the quantum level, and suggest strategies for designing materials with low hydrodynamic friction.

研究の動機と目的

• イオンを含まない系において古典的メカニズムが失敗する中で、液体の流れに伴い固体壁に誘起される電子的電流の長年の謎を解明すること。
• 巨視的誘電率近似を超えた、固体-液体界面における電子的電流生成の微視的量子理論を構築すること。
• 電流の起源が、液体の電荷揺らぎ（ハイドロン）と固体電子間の直接的クーロン結合、および水圧摩擦によって駆動される電子-フォノン結合の二つのメカニズムに起因することを特定すること。
• この電流が動量輸送に負のフィードバックを及ぼし、水圧摩擦係数を低減することを示すこと。
• 固体の電子的およびフォノン的性質、液体の誘電応答と観測された電流および摩擦低減を結びつける定量的枠組みを提供すること。

提案手法

• 固体-液体界面における結合した電子および水圧的自由度を記述するため、非平衡ケルディッシュ形式を用いる。
• 準平衡フラクチュエーション-散逸定理を用いて、電子応答のケルディッシュ感受率を導出し、それらをレターデッド応答関数と関連付ける。
• 水圧クーロンドラッグ電流を、二つの異なるメカニズムとしてモデル化する：ハイドロンとの直接的クーロン相互作用、および液体誘起フォノン励起を介した電子-フォノン結合。
• ケルディッシュ相関関数を用いて、電子-ボソン摩擦力を計算し、非平衡効果を微分速度依存性によって組み込む。
• 電子密度、有効質量、フェルミ波数を用いた摩擦係数のスケーリング則を確立し、数値結果と一致を確認する。
• 形式的枠組みを用いて、固体の電子的およびフォノン的応答および液体の誘電関数に依存する、摩擦係数の閉形式表式を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 液体に純粋な電荷がなく、イオン輸送も見られない状況において、液体の流れに伴い固体壁に誘起される電子的電流の微視的起源は何か？
• RQ2 液体の電荷揺らぎ（ハイドロン）と固体電子間のクーロン相互作用が、界面での電流生成にどのように寄与するか？
• RQ3 水圧摩擦によって駆動される電子-フォノン結合メカニズムが、観測された電流にどの程度寄与するか？
• RQ4 誘起された電子的電流が、水圧摩擦係数をどのように低減するか？
• RQ5 摩擦係数が固体の電子的およびフォノン的性質および液体の誘電応答にどのように定量的に依存するか？

主な発見

• 全体的に中性な液体が、液体の電荷揺らぎ（ハイドロン）とのクーロン相互作用によって、固体壁にネット電流を誘起する。
• 理論は、誘起された電子的電流のフィードバックにより、水圧摩擦に負の寄与を及ぼし、有効な摩擦係数を低減することを予測する。
• 電流は二つの異なるメカニズムに起因する：ハイドロンと電子間の直接的クーロン結合、および液体の流れを介した電子-フォノン結合。
• 2次元電子系では、摩擦係数は $\lambda_{\rm b/e} \propto m^{2}\mu$ に比例し、グラフェンではハイドロン相互作用に対して $\lambda_{\rm b/e} \propto n^{3/2}$ に比例する。これは数値シミュレーションと整合的である。
• 最近の液体-グラフェン界面での実験結果と理論が定量的に一致し、提示された量子フィードバック機構が妥当であることが検証された。
• フラクチュエーション-散逸関係が成立する限り、非平衡状態においても電子-ボソン摩擦係数は準平衡形式で表現可能である。