Графен нарушил фундаментальный закон физики

В графене электроны текут как почти идеальная жидкость без трения. Это открытие противоречит устоявшемуся физическому закону. Экзотическое квантовое состояние не только раскрывает новое фундаментальное поведение материи, но и открывает путь к мощным технологиям будущего.

В поисках идеальной жидкости

На протяжении десятилетий физики пытались ответить на фундаментальный вопрос: могут ли электроны двигаться как идеально гладкая жидкость без трения, подчиняясь универсальному квантовому значению? Обнаружить это необычное поведение оказалось чрезвычайно сложно. В реальных материалах крошечные несовершенства — атомные дефекты и примеси — нарушают эти тонкие квантовые эффекты, делая их почти невозможными для наблюдения.

Исследователи из Индийского института науки в сотрудничестве с коллегами из Национального института материаловедения в Японии наконец идентифицировали эту неуловимую квантовую жидкость в графене — материале, состоящем из одного слоя атомов углерода, расположенных в плоской решётке.

Нарушение закона Видемана-Франца

Чтобы обнаружить это поведение, команда создала исключительно чистые образцы графена и тщательно измерила, как они проводят электричество и тепло. Результат оказался неожиданным. Вместо того чтобы увеличиваться вместе, два свойства двигались в противоположных направлениях. Когда электропроводность росла, теплопроводность падала, и наоборот.

Этот результат прямо противоречит закону Видемана-Франца — хорошо установленному принципу, согласно которому тепловая и электрическая проводимости в металлах должны быть пропорциональны. Исследователи наблюдали отклонения от этого закона более чем в 200 раз при низких температурах, обнаруживая поразительное разделение того, как заряд и тепло движутся через материал.

Универсальная квантовая связь

Несмотря на это необычное разделение, поведение не является случайным. Оба типа проводимости, по-видимому, следуют универсальной константе, которая не зависит от самого материала. Эта константа связана с квантом проводимости — фундаментальной величиной, описывающей движение электронов на самых малых масштабах.

Жидкость, подобная воде

Этот замечательный эффект возникает при особом состоянии, известном как «точка Дирака», где графен находится на границе между металлом и изолятором. Регулируя количество электронов, исследователи могут достичь этого точного состояния. В этой точке электроны перестают вести себя как отдельные частицы. Вместо этого они движутся коллективно, текут как жидкость. Это движение напоминает воду, но с гораздо меньшим сопротивлением потоку.

Поскольку это водоподобное поведение обнаруживается вблизи точки Дирака, оно называется дираковской жидкостью — экзотическим состоянием материи, которое имитирует кварк-глюонную плазму, суп из высокоэнергетических субатомных частиц, наблюдаемый в ускорителях частиц в ЦЕРНе. Команда также измерила, насколько легко течёт эта жидкость, и обнаружила, что её вязкость чрезвычайно низка, что делает её одним из самых близких к идеальной жидкости состояний из когда-либо наблюдавшихся.

От лаборатории к космосу

Эти результаты открывают путь к изучению идей, обычно связанных с экстремальными средами, в доступной и недорогой лабораторной установке. Учёные теперь могут исследовать явления, связанные с физикой высоких энергий и астрофизикой, включая термодинамику чёрных дыр и масштабирование энтропии запутанности, в пределах лаборатории.

Помимо научной важности, это открытие может иметь практические последствия. Наличие дираковской жидкости в графене может позволить разработать высокочувствительные квантовые датчики. Такие устройства могли бы усиливать чрезвычайно слабые электрические сигналы и обнаруживать слабые магнитные поля, открывая дверь к новым технологиям в области sensing и измерений.

Профессор Ариндам Гош из Индийского института науки отмечает: «Удивительно, что даже спустя двадцать лет после открытия графена на одном только его слое можно сделать так много». То, что начиналось как материал для изучения двумерных систем, превратилось в окно в квантовый мир, где электроны текут как вода, а законы физики переписываются на глазах. И графен, возможно, станет тем мостом, который соединит лабораторные эксперименты с космическими явлениями, происходящими в недрах чёрных дыр.