Elektrony v grafen může působit jako dokonalá tekutina, vzdorující zavedené fyzické zákony. Toto zjištění postupuje jak základní vědy, tak potenciální kvantové technologie.
Po celá desetiletí zápasili kvantoví fyzici základní otázkou: mohou proudit elektrony jako bezchybná kapalina bez odporu řízená univerzální kvantovou konstantou? Detekce tohoto neobvyklého stavu se ve většině materiálů ukázalo jako téměř nemožné, protože atomové defekty, nečistoty a strukturální nedokonalosti tento účinek narušují.
Detekce kvantových tekutin v grafenu
Tým z oddělení fyziky na Indickém institutu vědy (IISC), který spolupracuje se spolupracovníky na japonském národním institutu pro materiálové vědy, nyní identifikoval tuto nepolapitelnou elektronovou tekutinu v grafenu – materiál složený z jediné vrstvy atomů uhlíku. Jejich zjištění, hlášená v Fyzika přírodyPoskytněte novou cestu do kvantové fyziky a potvrďte roli grafenu jako silné platformy pro sondování neobvyklého kvantového chování.
„Je úžasné, že na jedné vrstvě grafenu je tolik co dělat i po 20 letech objevování,“ říká Arindam Ghosh, profesor na oddělení fyziky, IISC a jeden z odpovídajících autorů studie.
Vědci produkovali výjimečně čisté vzorky grafenu a monitorovali elektrické i tepelné vedení. K jejich překvapení pozorovali, že obě vlastnosti se pohybovaly v opačných směrech: když se zvedla elektrická vodivost, padla tepelná vodivost a naopak. Tento neočekávaný výsledek odhalil výrazný odchod od Wiedemann-Franzského zákona, známého pravidla ve fyzice kovové fyziky, které uvádí, že obě vodivosti by měly být přímo úměrné.
Ve svých vzorcích grafenu pozoroval tým IISC silnou odchylku od tohoto zákona faktorem více než 200 při nízkých teplotách, což prokazuje oddělení mechanismů vedení náboje a tepla. Toto oddělení však není náhodnou událostí-ukázalo se, že jak vedení náboje, tak v tomto případě se spoléhají na univerzální konstantu nezávislou na materiálu, která se rovná kvantu vodivosti, což je základní hodnota související s pohybem elektronů.
Dirac tekutina a exotické stavy hmoty
Toto exotické chování se objevuje v „Dirac Point“, přesném elektronickém bodě převrácení – dosaženého vyladěním počtu elektronů v materiálu – kde grafen není ani kov, ani izolátor. V tomto stavu elektrony přestanou působit jako jednotlivé částice a místo toho se pohybují společně tak, jak to dělá kapalina, stejně jako voda, ale stokrát méně viskózní.
„Protože toto chování podobné vodě se nachází poblíž bodu Dirac, nazývá se to dirac tekutina-exotický stav hmoty, který napodobuje gluony Quark-Gluon plazmaPolévka vysoce energetických subatomických částic pozorovaných v akcelerátorech částic Cern“Říká Aniket Majumdar, první autor a student PhD na Katedře fyziky. Tým navíc změřil viskozitu této tekutiny Dirac a zjistil, že je minimálně viskózní, co nejbližší možnou tekutinu.
Zjištění vytvářejí grafen jako ideální nízkonákladovou platformu pro zkoumání konceptů z vysoce energetické fyziky a astrofyziky, jako je termodynamika černé díry a škálování entropie v laboratoři, v laboratorním prostředí.
Z technologického hlediska má přítomnost tekutiny Dirac v grafenu také významný potenciál pro použití v kvantových senzorech schopných amplifikovat velmi slabé elektrické signály a detekovat extrémně slabá magnetická pole.
Reference: „Univerzita v kvantovém kritickém toku náboje a tepla v Ultrachlean Gragene“ od Aniketu Majumdar, Nisarg Chadha, Pritam Pal, Akash Gugnani, Bhaskar Ghawri, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Subroto Mukerjee a Arindam Ghosh, 13. srpna 2025, 20. srpna, 13. srpna 20225 Fyzika přírody.
Dva: 10.1038/S41567-025-02972-Z
Nikdy nezmeškáte průlom: Připojte se k zpravodaji Scitechdaily.
