Графен раскрыл электроны, ведущие себя как жидкость без трения

Слева вверху: 3D-атомная модель графенового устройства. Слева внизу: Вид сверху на реальное устройство под оптическим микроскопом. Справа: Художественная иллюстрация электронов, движущихся как жидкость внутри графена. Автор: Аникет Маджумдар

Исследователи из Индийского института науки (IISc) совместно с коллегами из Национального института материаловедения Японии обнаружили уникальное квантовое состояние электронов в графене — материале, состоящем из одноатомного слоя углерода. Электроны в этом состоянии ведут себя как идеальная жидкость без трения, нарушая классические законы физики.

Ученые создали исключительно чистые образцы графена и отследили, как они проводят электричество и тепло одновременно. К их удивлению, они обнаружили обратную зависимость между этими свойствами: при увеличении электропроводности теплопроводность уменьшалась, и наоборот.

Это явление представляет собой драматическое нарушение классического принципа для металлов — закона Видемана-Франца, который предписывает, что значения электропроводности и теплопроводности должны быть прямо пропорциональны.

Команда IISc, возглавляющая работу. Слева направо: Акаш Гугнани, Аникет Маджумдар, Притам Пал, Ариндам Гхош. Автор: Аникет Маджумдар

В образцах графена команда наблюдала отклонение от этого закона более чем в 200 раз при низких температурах, демонстрируя разъединение механизмов проводимости заряда и тепла.

Это экзотическое поведение проявляется в «дираковской точке» — электронном состоянии, где графен не является ни металлом, ни изолятором. В этом состоянии электроны перестают действовать как отдельные частицы и движутся коллективно, подобно жидкости, но в сто раз менее вязкой, чем вода.

«Поскольку это водоподобное поведение обнаружено вблизи дираковской точки, это называется дираковской жидкостью — экзотическим состоянием материи, которое имитирует кварк-глюонную плазму, — объясняет Аникет Маджумдар, первый автор исследования и аспирант кафедры физики.

Открытие устанавливает графен как идеальную платформу для исследования концепций из физики высоких энергий и астрофизики, таких как термодинамика черных дыр. С технологической точки зрения, дираковская жидкость в графене имеет значительный потенциал для использования в квантовых сенсорах, способных усиливать очень слабые электрические сигналы и обнаруживать чрезвычайно слабые магнитные поля.