Electron cooling in graphene enhanced by plasmon–hydron resonance

石墨烯 材料科学 电子 化学物理 等离子体子 凝聚态物理 纳米技术 光电子学 化学 物理 量子力学
作者
Xiaoqing Yu,Alessandro Principi,Klaas‐Jan Tielrooij,Mischa Bonn,Nikita Kavokine
出处
期刊:Nature Nanotechnology [Springer Nature]
卷期号:18 (8): 898-904 被引量:29
标识
DOI:10.1038/s41565-023-01421-3
摘要

Evidence is accumulating for the crucial role of a solid's free electrons in the dynamics of solid-liquid interfaces. Liquids induce electronic polarization and drive electric currents as they flow; electronic excitations, in turn, participate in hydrodynamic friction. Yet, the underlying solid-liquid interactions have been lacking a direct experimental probe. Here we study the energy transfer across liquid-graphene interfaces using ultrafast spectroscopy. The graphene electrons are heated up quasi-instantaneously by a visible excitation pulse, and the time evolution of the electronic temperature is then monitored with a terahertz pulse. We observe that water accelerates the cooling of the graphene electrons, whereas other polar liquids leave the cooling dynamics largely unaffected. A quantum theory of solid-liquid heat transfer accounts for the water-specific cooling enhancement through a resonance between the graphene surface plasmon mode and the so-called hydrons-water charge fluctuations-particularly the water libration modes, which allows for efficient energy transfer. Our results provide direct experimental evidence of a solid-liquid interaction mediated by collective modes and support the theoretically proposed mechanism for quantum friction. They further reveal a particularly large thermal boundary conductance for the water-graphene interface and suggest strategies for enhancing the thermal conductivity in graphene-based nanostructures.

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