Графен нарушил фундаментальный закон физики

Электроны графена нарушили правила физики, текучи как идеальная квантовая жидкость. Автор: ИИ/ScienceDaily.com

На протяжении нескольких десятилетий центральная загадка квантовой физики оставалась неразгаданной: могут ли электроны вести себя как идеальная жидкость без трения с электрическими свойствами, описываемыми универсальным квантовым числом? Обнаружить это уникальное свойство электронов до сих пор было чрезвычайно сложно в любом материале из-за наличия атомных дефектов, примесей и несовершенств материала.

Исследователи из Департамента физики Индийского научного института (IISc) вместе с коллегами из Национального института материаловедения Японии наконец обнаружили эту квантовую жидкость электронов в графене — материале, состоящем из одного слоя атомов чистого углерода. Результаты, опубликованные в Nature Physics, открывают новое окно в квантовый мир и устанавливают графен в качестве уникальной лаборатории для изучения ранее невиданных квантовых явлений.

«Потрясающе, что даже спустя 20 лет после открытия с однослойным графеном можно сделать так много всего», — говорит Ариндам Гхош, профессор Департамента физики IISc и один из соответствующих авторов исследования.

Команда создала исключительно чистые образцы графена и отследила, как эти материалы проводят электричество и тепло одновременно. К их удивлению, они обнаружили обратную зависимость между двумя свойствами: по мере увеличения одного значения (электропроводности) другое (теплопроводность) уменьшалось, и наоборот. Это замечательное явление возникает из-за резкого нарушения учебного принципа для металлов — закона Видемана — Франца, который гласит, что значения электропроводности и теплопроводности должны быть прямо пропорциональны.

В своих образцах графена команда IISc наблюдала сильное отклонение от этого закона более чем в 200 раз при низких температурах, демонстрируя разделение механизмов проводимости заряда и тепла. Это разделение, однако, не является случайным событием — оказывается, что и проводимость заряда, и тепла в этом случае зависят от универсальной константы, не зависящей от материала, которая равна кванту проводимости, фундаментальному значению, связанному с движением электронов.

Это экзотическое поведение проявляется в «дираковской точке», точной электронной точке перелома — достигаемой путем изменения количества электронов в материале — где графен не является ни металлом, ни изолятором. В этом состоянии электроны перестают действовать как отдельные частицы и вместо этого движутся вместе, как жидкость, подобно воде, но в сто раз менее вязкой.

«Поскольку это водоподобное поведение обнаружено вблизи дираковской точки, оно называется дираковской жидкостью — экзотическим состоянием материи, которое имитирует кварк-глюонную плазму, суп из высокоэнергетических субатомных частиц, наблюдаемых в ускорителях частиц в ЦЕРНе», — говорит Аникет Маджумдар, первый автор и аспирант Департамента физики.

Результаты устанавливают графен в качестве идеальной недорогой платформы для исследования концепций из физики высоких энергий и астрофизики, таких как термодинамика черных дыр и масштабирование энтропии запутанности, в лабораторных условиях.

С технологической точки зрения наличие дираковской жидкости в графене также имеет значительный потенциал для использования в квантовых сенсорах, способных усиливать очень слабые электрические сигналы и обнаруживать чрезвычайно слабые магнитные поля.