在适当的条件下，电子在石墨烯中可以像流体一样流动。

　　流水无形，能绕过障碍物，并且在流动中施加力。然而，像水这样的传统液体只是很多流体的一种。几十年前，科学家就假定存在一种电子流动形成的量子流体，但直到最近科学家才观察到：这种量子流体来源于导电材料中的电子彼此之间的强相互作用，使得电子可以在比人类头发丝细100倍的尺度上像水一样流动。贝尔迪尤金（Berdyugin）等人和加拉格尔（Gallagher）等人分别在石墨烯（由厚度只有一个原子的碳原子层组成蜂巢晶格的二维碳纳米材料）中，实验观测到二维电子流体，实验揭示了在水中无法观察到的量子流体流动。实验结果可能会产生新型量子材料和电子器件。

　　通过施加局部电压，石墨烯可以带上少量额外的电子，类似于对电容器的一侧进行充电。添加的电子很容易从一个原子移动到下一个原子。在低温下，由于量子效应，这些电子相互移动；但是在更高的温度下，电子开始彼此分散。两个电子相互反弹的方式与两个水分子截然不同。不过在每次碰撞中，因为能量、动量和电荷（类似于分子量）都是守恒的，所以产生的电子流体的流动方式与水的流动方式大致相同。

　　然而，有一个至关重要的问题在于：与水分子不同，电子必须在一系列离子之间流动。如果电子散射离子杂质或离子晶格振动，就会失去动量，不再像传统液体那样流动。在普通金属中，电子﹣晶格散射非常强，因此完全无法实现像水流那样的电子流动。因为材料科学的进步，科学家才制造出石墨烯这样的量子材料，其中移动的电子只要能够相互散射的足够快，就会形成量子流体。

　　贝尔迪尤金等人在垂直于石墨烯原子层的方向施加磁场，进而研究存在磁场情况下石墨烯中的电子流体。因为磁场倾向于以相同的方式（例如，顺时针方向）旋转所有移动的带电电子，所以出现宇称对称性破缺。二维对称性破缺流体，无论它们是由大的手性分子薄膜组成，还是由磁场中小的量子电子组成，都具有霍尔黏度。

　　要理解霍尔黏度的影响，可以考虑在刚性表面上流动的黏性流体。普通剪切黏度随着流体流动而拉动表面；但是，霍尔黏度将表面从流动中拉入或拉出。通过探测电子流体如何在变化的温度和磁场中从一个点流到另一个点，贝尔迪尤金等人发现：磁场在石墨烯电子流体中引起霍尔黏度，与理论预测一致。他们的研究清晰证明了流体力学的这种不寻常现象。

　　由于石墨烯特有的量子物理特性，即使去除了所有多余的电子，也还会存在电子流体。在有限的温度下，集合电子系统包含一些额外的能量，可以把一些电子从价态激发成移动的导电电子，同时产生一些缺少电子的原子，这些缺失的电子看起来像带正电的物体一样移动，即产生空穴。

　　在石墨烯中，电子和空穴形成等离子体，遵循类似于热夸克和胶子形成的相对论性等离子体遵循的方程。加拉格尔等人通过研究电子﹣空穴等离子体与光的相互作用，来研究这种电子﹣空穴等离子体。他们证实了现有的理论预测，并发现：电子散射相对电子﹣晶格散射的增强是产生电子流体所必需的。他们还证实，电子散射率遵循量子临界行为，就像许多非费米液体的“奇异金属”一样，其散射率由温度和自然界的基本常数决定。

　　将来可以设计电子流体来创造热电材料，这能有效地将电流转换为热流（反之亦然），创造优质的介观导体，或产生和检测太赫兹辐射，来解决应用物理学在诸多工业应用中的长期挑战。与石墨烯不同，结构更复杂并且有对称性的晶体可能会产生新型流体，具有新型的黏度和意想不到的流体流动模式。此外，石墨烯中电子﹣空穴等离子体的快速散射率表明，它与其他强相互作用的量子材料的物理有关。无论是制造微米尺度的工业电子器件还是回答凝聚态物理中的基本问题，处于流体力学、量子凝聚态物理学和材料科学交叉领域的科研人员很可能在未来很多年中，需要全力以赴来解决这些问题。

资料来源 Science