Płyn Diraca. Gdy elektrony płyną jak woda
W specjalnym punkcie zwanym punktem Diraca elektrony grafenu zaczęły zachowywać się w zupełnie nieoczekiwany sposób. Utworzyły coś, co naukowcy nazwali płynem Diraca. Jest to egzotyczny stan materii o ultra-niskiej lepkości. Zaobserwowane zjawisko przywodzi na myśl plazmę kwarkowo-gluonową, którą dotąd obserwowano tylko w najpotężniejszych akceleratorach cząstek.
W pobliżu punktu Diraca, grafen ma istnieć w kwantowo-krytycznym stanie płynu Diraca, gdzie przepływ zarówno ładunku, jak i ciepła może być opisany przez charakterystyczną stałą przewodność elektryczną – wyjaśniają członkowie zespołu badawczego
Czytaj też: Nowy stan materii kwantowej wstrząsnął światem. Wykazuje zaskakującą odporność na promieniowanie
Co ciekawe, w tym szczególnym stanie przewodność elektryczna i cieplna zachowują się odwrotnie proporcjonalnie. To zupełne zaprzeczenie tego, czego uczono nas przez dziesiątki lat. Odkrycie tego egzotycznego płynu kwantowego otwiera nowe możliwości badania zjawisk znanych dotąd tylko z fizyki wysokich energii.
Prawo Wiedemanna-Franza przestaje obowiązywać
To, co naprawdę wstrząsnęło światem fizyki, to złamanie prawa Wiedemanna-Franza. Zasada obowiązująca od 1853 roku nagle przestała działać w spektakularny sposób. W ultraczystym grafenie zaobserwowano rozprzężenie transportu ciepła i ładunku. Mechanizmy przewodzenia tych dwóch form energii zaczęły działać niezależnie. Odchylenie od klasycznego prawa przekroczyło 200-krotność, co w świecie fizyki oznacza prawdziwą rewolucję. Kluczem do tego przełomu było stworzenie ultraczystych próbek grafenu, w których elektrony mogły zachowywać się w sposób dotąd uważany za niemożliwy.
To niesamowite, że jest jeszcze tak wiele do zrobienia na pojedynczej warstwie grafenu, nawet po 20 latach od jego odkrycia – podkreśla Arindam Ghosh, główny autor badania
Od czarnych dziur do czujników kwantowych
Choć brzmi to jak science fiction, odkrycie ma bardzo praktyczne implikacje. Grafen staje się swego rodzaju niskokosztowym laboratorium, w którym można badać zjawiska znane z astrofizyki. Naukowcy mogą teraz studiować termodynamikę czarnych dziur czy splątanie kwantowe bez konieczności dostępu do wielomiliardowych instalacji. Płyn Diraca może znaleźć zastosowanie w czujnikach kwantowych nowej generacji. Tego typu urządzenia byłyby w stanie wzmacniać niezwykle słabe sygnały elektryczne, wykrywać mikroskopijne pola magnetyczne oraz przeprowadzać precyzyjne pomiary w warunkach, gdzie tradycyjne czujniki po prostu zawodzą.
Czytaj też: Pobili rekord precyzji. Sensacyjny wynik pomiarów mas wskazuje na nową fizykę
Możliwości aplikacyjne są naprawdę szerokie: od medycyny przez astronomię po przyszłe technologie komunikacyjne. Badania opisane w Nature Physics pokazują, iż nawet po dwóch dekadach od odkrycia grafenu, ten niezwykły materiał wciąż kryje w sobie tajemnice. Najnowsze obserwacje potwierdzają, że granica między fizyką teoretyczną a praktycznymi zastosowaniami staje się coraz cieńsza, choć wciąż dzieli je spory krok technologiczny.