Електрони графену порушують фундаментальний закон фізики
- Вчені з Індії та Японії виявили, що електрони в графені можуть формувати екзотичний стан матерії, який ігнорує закони фізики.
- Цей стан, відомий як "рідина Дірака", відкриває нові можливості для квантових досліджень та технологій, зокрема для створення надчутливих квантових сенсорів.
Вчені зробили проривне відкриття, яке може змінити наше уявлення про фундаментальні закони фізики. Дослідники з Індії та Японії виявили, що в такому матеріалі, як графен, електрони здатні поводитись абсолютно несподіваним чином, формуючи екзотичний стан матерії. Це відкриває нові горизонти для квантових досліджень та майбутніх технологій.
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.
Дивіться також Унікальний метеоритний алмаз, міцніший за будь-які земні аналоги, відтворили в лабораторії
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.