[논문 리뷰] Quantum feedback at the solid-liquid interface: flow-induced electronic current and its negative contribution to friction

Baptiste Coquinot, Lydéric Bocquet외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 06.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 56인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 비평형 켈디시 형식을 사용하여 고체-액체 인터페이스에서의 유체역학적 쿠론 드래그에 대한 양자역학적 이론을 수립한다. 유체의 유동에 의해 유도된 전자 전류는 액체의 전하 변동(하이드론)과 고체 전자 간의 쿠론 상호작용뿐만 아니라 전자-포논 결합에 의해 발생하며, 이로 인해 발생하는 전류는 유체역학적 마찰을 감소시키는 양자 피드백 효과를 유도한다. 이는 양자 수준에서 나노스케일 유체 흐름을 제어할 수 있는 메커니즘을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 액체 흐름 중 고체 벽에서 유도되는 전자 전류의 장기적인 수수께끼를 해결하기 위해, 특히 고전적 메커니즘이 실패하는 이온이 없는 시스템에서의 전류 발생 원인을 밝히기 위해.
• macroscopic 유전율 근사 이상의 미시적 양자 이론을 개발하여 고체-액체 인터페이스에서의 전자 전류 생성을 기술하기 위해.
• 전류의 기원이 두 가지 메커니즘에서 비롯된다는 것을 규명하기 위해: 액체 전하 변동(하이드론)과 고체 전자 간의 직접 쿠론 결합, 그리고 유체역학적 마찰에 의해 매개되는 전자-포논 결합.
• 이 전류가 운동량 전달에 대해 음성 피드백을 유도하여, 유체역학적 마찰 계수를 감소시킴을 보여주기 위해.
• 고체의 전자 및 포논 성질과 액체의 유전율 반응을 관측된 전류와 마찰 감소와 연결하는 정량적 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 고체-액체 인터페이스에서 결합된 전자 및 유체역학적 자유도를 기술하기 위해 비평형 켈디시 형식을 사용한다.
• 준평형 복잡성-소산 정리에 기반하여 전자 반응에 대한 켈디시 감수도를 유도하고, 이를 후행 반응 함수와 연결한다.
• 유체역학적 쿠론 드래그 전류를 두 가지 별개의 메커니즘으로 모델링한다: 하이드론과의 직접 쿠론 상호작용 및 액체 유도 포논 자극을 통한 전자-포논 결합.
• 비평형 효과를 미분 속도 의존성으로 포함시켜 켈디시 상관 함수를 사용해 전자-보존 마찰력을 계산한다.
• 전자 밀도, 효과 질량, 팔미 웨이브벡터에 따라 마찰 계수의 척도 법칙을 수립하고 수치 결과와 일치함을 검증한다.
• 형식을 사용하여 고체의 전자 및 포논 반응과 액체의 유전율 함수에 의존하는 마찰 계수에 대한 폐쇄형 표현식을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 액체 흐름 중에 순전하나 이온 이동이 없는 조건에서 고체 벽에서 흐름에 의해 유도된 전자 전류의 미시적 기원은 무엇인가?
• RQ2 액체 전하 변동(하이드론)과 고체 전자 간의 쿠론 상호작용은 인터페이스에서 전류 생성에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 유체역학적 마찰에 의해 유도되는 전자-포논 결합 메커니즘은 관측된 전류에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 유도된 전자 전류는 어떻게 유체역학적 마찰 계수를 감소시키는가?
• RQ5 마찰 계수의 정량적 의존성은 고체의 전자 및 포논 성질과 액체의 유전율 반응에 따라 어떻게 변하는가?

주요 결과

• 전체적으로 중성인 액체는 액체 전하 변동(하이드론)과의 쿠론 상호작용를 통해 고체 벽에서 순 전자 전류를 유도할 수 있다.
• 이 이론은 유도된 전자 전류의 피드백로 인해 유체역학적 마찰에 음의 기여를 예측하여, 효과적인 마찰 계수를 감소시킨다.
• 전류는 두 가지 별개의 메커니즘에서 기인한다: 하이드론과 전자 간의 직접 쿠론 결합, 그리고 액체 유동에 의해 매개되는 전자-포논 결합.
• 2차원 전자 기체의 경우 마찰 계수는 $\lambda_{\rm b/e} \propto m^{2}\mu$ 비례하고, 그래핀에서는 하이드론 상호작용에 대해 $\lambda_{\rm b/e} \propto n^{3/2}$ 비례하며, 이는 수치 시뮬레이션과 일치한다.
• 최근의 액체-그래핀 인터페이스 실험 결과와 이론이 정량적으로 일치하여 제안된 양자 피드백 메커니즘이 검증된다.
• 유도된 전자-보존 마찰 계수는 비평형 조건에서도 준평형 형태로 표현 가능하며, 이는 복잡성-소산 관계가 유지될 경우에 한하여 성립한다.