Viscous regime of electron transport at a graphene constriction

Abstract

Under mesoscopic conditions, strong electron-electron interactions and weak electron-phonon coupling in graphene lead to an hydrodynamic behaviour of electron dynamics, resulting in unusual transport phenomena. During the last years, there have been several theoretical studies of macroscopic signatures of this collective cooperation of electrons. Here, we want to distinguish this hydrodynamic regime studying the conductance through a narrow geometrical constriction in graphene. To do so, we have fabricated high-quality, low-disorder graphene nano-constriction devices encapsulated by hexagonal boron nitride, where electron-electron scattering dominates impurity scattering. We carried out systematic four-probe conductance measurements on devices with different constriction widths as a function of carrier density and temperature. The observation of quantum transport phenomena that are inconsistent with the non-interacting ballistic free-fermion model suggests a macroscopic transport signature of electron viscosity.

n condiciones mesoscópicas, las fuertes interacciones electrón-electrón, junto con el débil acoplamiento electrón-fonón en grafeno, dan lugar a un comportamiento hidrodinámico de la dinámica electrónica que resulta en fenómenos de transporte inusuales. Durante los últimos años ha habido varios estudios teóricos acerca de indicios macroscópicos de esta cooperación colectiva de los electrones. Aquí, intentamos distinguir este régimen hidrodinámico estudiando la conductividad a través de una estrecha constricción geométrica en grafeno. Para hacerlo, hemos fabricado dispositivos con nano-constricciones en grafeno, de alta calidad y bajo nivel de desorden, encapsulados en nitruro de boro hexagonal, en los que la dispersión electrón-electrón domina la dispersión por impurezas. Se llevaron a cabo medidas sistemáticas de la conductividad con cuatro sondas, en dispositivos con distintas anchuras de constricción, en función de la densidad de portadores y de la temperatura. La observación de fenómenos cuánticos de transporte que no son consistentes con el modelo balístico de fermiones libres sin interacción sugiere un indicio de transporte macroscópico de la viscosidad electrónica.

Les fortes interaccions electró-electró conjuntament amb el dèbil acoblament electró-fonó al grafè en condicions mesoscòpiques provoquen un comportament hidrodinàmic de la dinàmica electrònica que resulta en fenòmens de transport inusuals. Durant els últims anys hi ha hagut diversos estudis teòrics que buscaven indicis macroscòpics d'aquesta cooperació col·lectiva dels electrons. En aquest treball intentem distingir aquest règim hidrodinàmic estudiant la conductivitat a través d'una constricció geomètrica estreta de grafè. Per fer-ho, hem fabricat dispositius amb nano-constriccions de grafè d'alta qualitat i baix nivell de desordre, encapsulats en dispositius de nitrur de bor hexagonal, en els quals la dispersió electró-electró domina sobre la dispersió per impureses. Es van prendre mesures sistemàtiques de la conductivitat emprant quatre sondes, en dispositius amb diferent amplada de constricció, i en funció de la densitat de portadors i de la temperatura. L'observació de fenòmens quàntics de transport que no són consistents amb el model balístic de fermions lliures sense interacció suggereix un indici de transport macroscòpic de la viscositat electrònica.