[论文解读] 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 4

一句话总结

本文利用非平衡Keldysh形式体系，发展了一套量子力学理论，用于解释固液界面处的流体动力学库仑拖曳现象，表明流动诱导的电子电流源于液相电荷涨落（水离子）与固相电子之间的库仑相互作用，以及电子-声子耦合。由此产生的电流引发量子反馈效应，从而降低流体动力学摩擦，为在量子层面调控纳米尺度流体流动提供了机制。

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.

研究动机与目标

• 解决长期以来关于液体流动过程中固壁内流动诱导电子电流的谜题，特别是在无净电荷或离子输运的系统中，经典机制失效的情形。
• 发展一种微观量子理论，用于描述固液界面处电子电流的产生，超越宏观介电近似。
• 阐明电流的起源来自两种机制：液相电荷涨落（水离子）与固相电子之间的直接库仑耦合，以及通过流体动力学摩擦介导的电子-声子耦合。
• 证明该电流对动量传递产生负反馈，从而降低流体动力学摩擦系数。
• 提供一个定量框架，将固体的电子与声子性质以及液体的介电响应与观测到的电流和摩擦减小现象联系起来。

提出的方法

• 采用非平衡Keldysh形式体系，描述固液界面处电子与流体动力学自由度的耦合。
• 利用准平衡涨落-耗散定理推导电子响应的Keldysh传播器，将其与传播响应函数关联。
• 将流体动力学库仑拖曳电流建模为两种不同机制的结果：与水离子的直接库仑相互作用，以及通过液体诱导声子激发介导的电子-声子耦合。
• 利用Keldysh关联函数计算电子-玻色子摩擦力，非平衡效应通过速度差依赖关系引入。
• 建立摩擦系数的标度律，以电子密度、有效质量和费米波矢表示，经数值结果验证。
• 利用该形式体系推导出摩擦系数的闭式表达式，其依赖于固体的电子与声子响应以及液体的介电函数。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无净电荷或离子输运的条件下，液体流动过程中固壁内流动诱导电子电流的微观起源是什么，尤其在无离子系统中？
• RQ2 液相电荷涨落（水离子）与固相电子之间的库仑相互作用在界面处如何贡献于电流生成？
• RQ3 由流体动力学摩擦驱动的电子-声子耦合机制在观测到的电流中贡献程度如何？
• RQ4 生成的电子电流如何通过反馈机制降低流体动力学摩擦系数？
• RQ5 摩擦系数对固体电子与声子性质及液体介电响应的定量依赖关系是什么？

主要发现

• 一种全局电中性的液体可通过流体动力学库仑拖曳在固壁中产生净电子电流，其驱动力为与液相电荷涨落（水离子）之间的库仑相互作用。
• 该理论预测，由于感应电子电流的反馈作用，流体动力学摩擦获得负贡献，从而降低有效摩擦系数。
• 电流源于两种不同机制：水离子与电子之间的直接库仑耦合，以及通过液体流动介导的电子-声子耦合。
• 摩擦系数满足 $\lambda_{\rm b/e} \propto m^{2}\mu$ 关系（二维电子气），以及在石墨烯中 $\lambda_{\rm b/e} \propto n^{3/2}$（水离子相互作用），与数值模拟结果一致。
• 该理论与近期在液-石墨烯界面的实验结果定量吻合，验证了所提出的量子反馈机制。
• 即使在非平衡条件下，电子-玻色子摩擦系数仍可保持准平衡形式，前提是涨落-耗散关系成立。