Електрони графену порушують фундаментальний закон фізики

Що дізналися вчені?

Міжнародна команда змогла зафіксувати у графені те, що десятиліттями вислизало від фізиків – особливий стан електронів, які поводяться як ідеальна рідина. У більшості матеріалів виявити цей ефект було практично неможливо через домішки, дефекти атомної структури та інші недосконалості, що заважають чистоті експерименту, пише 24 Канал з посиланням на Nature Physics.

Для свого дослідження вчені створили надзвичайно чисті зразки графену – матеріалу, що складається з одного шару атомів вуглецю. Під час експериментів вони одночасно вимірювали електричну та теплову провідність матеріалу і зіткнулися з несподіваним явищем. Виявилося, що ці два показники поводилися протилежно: коли електрична провідність зростала, теплова, навпаки, падала.

Цей результат прямо суперечить відомому закону Відемана-Франца, який є фундаментальним правилом у фізиці металів. Цей закон стверджує, що електрична та теплова провідність повинні бути прямо пропорційними одна одній. Проте в експерименті з графеном відхилення від цього закону при низьких температурах було колосальним – у понад 200 разів. Це вказало на те, що механізми перенесення заряду та тепла в цьому випадку працюють незалежно один від одного.

Така незвичайна поведінка виникає в так званій "точці Дірака" – унікальному електронному стані, якого досягають, змінюючи кількість електронів у матеріалі. У цій точці графен не є ані металом, ані ізолятором. Саме тут електрони перестають діяти як окремі частинки й починають рухатися узгоджено, немов потік рідини. Цей стан матерії отримав назву "рідина Дірака".

Як зазначив Анікет Маджумдар, провідний автор дослідження, ця рідина нагадує кварк-глюонну плазму – своєрідний "суп" із субатомних частинок, який фізики спостерігають у прискорювачах частинок, наприклад у CERN. Команда також виміряла в'язкість цієї електронної рідини й виявила, що вона є мінімальною, наближеною до властивостей ідеальної рідини, тобто рідини без внутрішнього тертя.

Що це нам дає?

Це відкриття має величезне значення як для фундаментальної науки, так і для технологій. Графен тепер можна розглядати як доступну та зручну платформу для лабораторного вивчення складних концепцій з фізики високих енергій та астрофізики, наприклад, термодинаміки чорних дір.

З практичного погляду, існування рідини Дірака в графені відкриває шлях до створення надчутливих квантових сенсорів, здатних виявляти надзвичайно слабкі магнітні поля та посилювати слабкі електричні сигнали.

За словами професора Аріндама Гоша, одного з керівників проєкту, навіть через 20 років після відкриття графену цей матеріал продовжує дивувати своїм потенціалом для нових відкриттів.