等离激元-水合质子共振增强石墨烯中的电子冷却

越来越多的证据表明，固体的自由电子在固-液界面的动力学中起着至关重要的作用。液体在流动时会引发电极化并驱动电流；反过来，电子激发也参与流体动力学摩擦。然而，潜在的固-液相互作用一直缺乏直接的实验探针。在此，我们使用超快光谱学研究跨越液体-石墨烯界面的能量转移。石墨烯电子被可见光激发脉冲准瞬时加热，然后利用太赫兹脉冲监测电子温度的时间演化。我们观察到水加速了石墨烯电子的冷却，而其他极性液体对冷却动力学基本没有影响。一个固-液传热的量子理论通过石墨烯表面等离激元模式与所谓的水合质子——即水电荷涨落——特别是水的平动模式之间的共振，解释了水特有的冷却增强效应，这种共振允许高效的能量转移。我们的结果为通过集体模式介导的固-液相互作用提供了直接的实验证据，并支持了理论上提出的量子摩擦机制。它们进一步揭示了水-石墨烯界面特别大的热边界电导，并为增强基于石墨烯的纳米结构的热导率提出了策略。