Elektrony łamią fundamentalne prawo fizyki
Zespół naukowców z Indian Institute of Science oraz National Institute for Materials Science pracował z ultraczystymi próbkami grafenu. Podczas pomiarów przewodności elektrycznej i cieplnej zaobserwowali coś nieoczekiwanego. Jak się okazało, wzrost jednej z tych właściwości powodował spadek drugiej. To zjawisko stanowi wyraźne naruszenie prawa Wiedemanna-Franza, które mówi, że w metalach obie te właściwości powinny być proporcjonalne. Odchylenie od tej reguły przekraczało 200-krotność normy w niskich temperaturach, co jest wynikiem bezprecedensowym.
Czytaj też: Fenomenalne nanorurki węglowe z Chin. Taka izolacja wytrzyma nawet 2600 stopni Celsjusza
To niesamowite, że jest tak wiele do zrobienia na jednej warstwie grafenu nawet po 20 latach od jego odkrycia — wyjaśnia Arindam Ghosh z Indian Institute of Science
Ciecz Diraca. Stan materii jak z akceleratora cząstek
Niezwykłe zachowanie elektronów pojawia się w tzw. punkcie Diraca, czyli specyficznym stanie, w którym grafen nie jest ani metalem, ani izolatorem. W tym momencie elektrony przestają działać jak pojedyncze cząstki i zaczynają poruszać się wspólnie, tworząc coś na kształt cieczy. Ta kwantowa ciecz elektronów, nazwana cieczą Diraca, wykazuje lepkość stukrotnie mniejszą niż woda. Jej właściwości hydrodynamiczne przypominają plazmę kwarkowo-gluonową obserwowaną w akceleratorach cząstek.
Ponieważ to zachowanie przypominające wodę występuje w pobliżu punktu Diraca, nazywa się je cieczą Diraca – egzotycznym stanem materii, który naśladuje plazmę kwarkowo-gluonową, zupę wysokoenergetycznych cząstek subatomowych obserwowaną w akceleratorach cząstek w CERN — dodaje Aniket Majumdar, współautor badania
Badacze zmierzyli lepkość tej kwantowej cieczy i stwierdzili, że zbliża się ona do teoretycznej granicy najbardziej “płynnej” substancji możliwej do osiągnięcia.
Co dalej z badaniami?
Odkrycie ma podwójne znaczenie. Z jednej strony grafen staje się idealną platformą do badania zjawisk z fizyki wysokich energii bez konieczności budowania kosztownych akceleratorów cząstek. Z drugiej strony, praktyczne zastosowania mogą być równie interesujące. Obecność cieczy Diraca w grafenie otwiera możliwości rozwoju zaawansowanych czujników kwantowych zdolnych do wykrywania niezwykle słabych sygnałów elektrycznych i pól magnetycznych.
Czytaj też: Naukowcy przypadkowo stworzyli wodorek złota. To odkrycie zmienia reguły gry w chemii ekstremalnej
Te czujniki mogłyby znaleźć zastosowanie w medycynie, astronomii czy systemach nawigacyjnych nowej generacji. Wszystko dzięki temu, że elektrony w grafenie potrafią płynąć jak doskonała ciecz, minimalizując straty energii i maksymalizując czułość pomiarową. Wielką niewiadomą pozostaje to, kiedy takie rozwiązanie wyjdzie poza ściany laboratorium. Niemniej jednak, najnowsze badania pokazują, że pojedyncza warstwa atomów węgla wciąż może nas zaskakiwać i oferować nowe perspektywy zarówno dla nauki, jak i technologii.