Электроны графена нарушают фундаментальный закон физики
- Ученые из Индии и Японии обнаружили, что электроны в графене могут формировать экзотическое состояние материи, которое игнорирует законы физики.
- Это состояние, известно как "жидкость Дирака", открывает новые возможности для квантовых исследований и технологий, в частности для создания сверхчувствительных квантовых сенсоров.
Ученые сделали прорывное открытие, которое может изменить наше представление о фундаментальных законах физики. Исследователи из Индии и Японии обнаружили, что в таком материале, как графен, электроны способны вести себя совершенно неожиданным образом, формируя экзотическое состояние материи. Это открывает новые горизонты для квантовых исследований и будущих технологий.
Что узнали ученые?
Международная команда смогла зафиксировать в графене то, что десятилетиями ускользало от физиков – особое состояние электронов, которые ведут себя как идеальная жидкость. В большинстве материалов обнаружить этот эффект было практически невозможно из-за примесей, дефекты атомной структуры и другие несовершенства, мешающие чистоте эксперимента, пишет 24 Канал со ссылкой на Nature Physics.
Смотрите также Уникальный метеоритный алмаз, прочнее любых земных аналогов, воссоздали в лаборатории
Для своего исследования ученые создали чрезвычайно чистые образцы графена – материала, состоящего из одного слоя атомов углерода. Во время экспериментов они одновременно измеряли электрическую и тепловую проводимость материала и столкнулись с неожиданным явлением. Оказалось, что эти два показателя вели себя противоположно: когда электрическая проводимость возрастала, тепловая, наоборот, падала.
Этот результат прямо противоречит известному закону Видемана-Франца, который является фундаментальным правилом в физике металлов. Этот закон утверждает, что электрическая и тепловая проводимость должны быть прямо пропорциональными друг другу. Однако в эксперименте с графеном отклонение от этого закона при низких температурах было колоссальным – более чем в 200 раз. Это указало на то, что механизмы переноса заряда и тепла в этом случае работают независимо друг от друга.
Такое необычное поведение возникает в так называемой "точке Дирака" – уникальном электронном состоянии, которого достигают, изменяя количество электронов в материале. В этой точке графен не является ни металлом, ни изолятором. Именно здесь электроны перестают действовать как отдельные частицы и начинают двигаться согласованно, словно поток жидкости. Это состояние материи получило название "жидкость Дирака".
Как отметил Аникет Маджумдар, ведущий автор исследования, эта жидкость напоминает кварк-глюонную плазму – своеобразный "суп" из субатомных частиц, который физики наблюдают в ускорителях частиц, например в CERN. Команда также измерила вязкость этой электронной жидкости и обнаружила, что она является минимальной, приближенной к свойствам идеальной жидкости, то есть жидкости без внутреннего трения.
Что это нам дает?
Это открытие имеет огромное значение как для фундаментальной науки, так и для технологий. Графен теперь можно рассматривать как доступную и удобную платформу для лабораторного изучения сложных концепций по физике высоких энергий и астрофизики, например, термодинамики черных дыр.
С практической точки зрения, существование жидкости Дирака в графене открывает путь к созданию сверхчувствительных квантовых сенсоров, способных обнаруживать чрезвычайно слабые магнитные поля и усиливать слабые электрические сигналы.
По словам профессора Ариндама Гоша, одного из руководителей проекта, даже через 20 лет после открытия графена этот материал продолжает удивлять своим потенциалом для новых открытий.