[论文解读] Rectification by hydrodynamic flow in an encapsulated graphene Tesla valve

Johannes Geurs, Youngwook Kim+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 11, 2020

Electrohydrodynamics and Fluid Dynamics被引用 14

一句话总结

该论文展示了一种基于石墨烯的特斯拉阀，利用水力电子流实现非互易输运，作为电子黏性二极管工作。整流效应在载流子密度和温度处于水力流 regime 时出现，而在弹道或扩散 regime 中消失，且与莫尔超晶格中范霍夫奇点处的利夫希茨相变相关，证实了黏性电子流是整流效应的根源。

ABSTRACT

Systems in which interparticle interactions prevail can be described by hydrodynamics. This regime is typically difficult to access in the solid state for electrons. However, the high purity of encapsulated graphene combined with its advantageous phonon properties make it possible, and hydrodynamic corrections to the conductivity of graphene have been observed. Examples include electron whirlpools, enhanced flow through constrictions as well as a Poiseuille flow profile. An electronic device relying specifically on viscous behaviour and acting as a viscometer has however been lacking. Here, we implement the analogue of the Tesla valve. It exhibits nonreciprocal transport and can be regarded as an electronic viscous diode. Rectification occurs at carrier densities and temperatures consistent with the hydrodynamic regime, and disappears both in the ballistic and diffusive transport regimes. In a device in which the electrons are exposed to a Moiré superlattice, the Lifshitz transition when crossing the Van Hove singularity is observed in the rectifying behaviour.

研究动机与目标

• 通过利用封装石墨烯中的水力电子流，实现一种可作为电子黏度计的器件。
• 证明非互易输运——整流——特异性源于黏性电子动力学，而非弹道或扩散效应。
• 研究几何工程化器件中电子水力输运的作用，该器件受机械特斯拉阀的启发。
• 探究电子拓扑结构，特别是范霍夫奇点处的利夫希茨相变，对莫尔超晶格中黏性整流的影响。

提出的方法

• 制备了具有特斯拉阀几何结构的石墨烯-hBN异质结器件，包含主通道和倾斜的侧向环路，以引入不对称的流动阻力。
• 采用双栅、四端测量方法施加并控制载流子密度和温度，从而进入水力流 regime。
• 使用二极管性作为非互易输运的定量指标，定义为 $ D = (R_f - R_b)/(R_f + R_b) $，其中 $ R_f $ 和 $ R_b $ 分别为正向和反向电阻。
• 在图案化为特斯拉阀几何结构前后，对比同一器件的二极管性，以隔离几何引起的整流与本征或接触效应。
• 测量电阻和二极管性随载流子密度和温度的变化，以识别水力流 regime，并将整流与范霍夫奇点关联。
• 对机械特斯拉阀进行流体动力学模拟，以验证水力机制并指导对电子流不对称性的解释。

实验结果

研究问题

• RQ1 封装石墨烯中的水力电子流是否能在几何工程化器件中产生非互易输运？
• RQ2 所观察到的整流效应是否在弹道或扩散输运 regime 中消失，从而确认其源于黏性电子动力学？
• RQ3 范霍夫奇点处的利夫希茨相变如何影响莫尔超晶格中的黏性整流？
• RQ4 所观察到的整流是几何效应，还是范德华异质结或接触的本征性质？
• RQ5 石墨烯基器件是否能通过利用非互易几何中的黏性电子流，作为黏度计工作？

主要发现

• 在水力流 regime 中，特斯拉阀几何结构的整流效应显著增强，二极管性在 80 K 和空穴密度约为 $-10 \times 10^{11} \, \text{cm}^{-2}$ 时达到约 0.6，而在弹道和扩散 regime 中完全消失。
• 该器件在约 80 K 和高浓度空穴处表现出明显的黏性整流特征，仅在图案化为特斯拉阀几何结构后出现，证实其源于几何结构。
• 在 $ n \approx \pm 28 \times 10^{11} \, \text{cm}^{-2} $ 处观察到二次狄拉克峰，表明存在扭转角低于 $1^\circ$ 的莫尔超晶格，且与整流行为的变化相关。
• 范霍夫奇点处的利夫希茨相变与黏性贡献整流符号的变化直接关联，通过跨越相变的二极管性测量得到证实。
• 无论采用恒流、恒压还是微分电阻测量协议，二极管性均保持稳定，证实了水力整流效应的一致性。
• 在图案化前的方形器件控制实验显示，仅在电荷中性点附近存在微弱且与温度无关的二极管性，证实特斯拉阀几何结构中的强整流效应并非本征性质，而是几何诱导的。