Центральная загадка квантовой физики решена?
Несколько десятилетий в квантовой физике оставалась нерешённой центральная загадка: могут ли электроны вести себя как идеальная жидкость без трения с электрическими свойствами, описываемыми универсальным квантовым числом?
Уникальное свойство электронов
Уникальное свойство электронов было чрезвычайно трудно обнаружить в любом материале из-за наличия атомных дефектов, примесей и несовершенств.
Открытие в индийском Институте науки
Исследователи из Департамента физики Индийского института науки (IISc) вместе с коллегами из Национального института материаловедения Японии наконец обнаружили эту квантовую жидкость электронов в графене — материале, состоящем из одного слоя чистых атомов углерода.
Результаты, опубликованные в Nature Physics, открывают новое окно в квантовый мир и утверждают графен как уникальную настольную лабораторию для изучения невиданных ранее квантовых явлений.
«Удивительно, что столько всего можно сделать всего с одним слоем графена даже спустя 20 лет после его открытия», — говорит Ариндам Гош, профессор Департамента физики IISc и один из соответствующих авторов исследования.
Открытие в графене
Команда разработала исключительно чистые образцы графена и проследила, как эти материалы одновременно проводят электричество и тепло. К их удивлению, они обнаружили обратную зависимость между двумя свойствами: когда одно значение (электропроводность) увеличивалось, другое (теплопроводность) уменьшалось, и наоборот.
Это замечательное явление возникает из-за драматического нарушения учебника принципа для металлов — закона Видемана — Франца, который гласит, что значения электропроводности и теплопроводности должны быть прямо пропорциональны.
В своих образцах графена команда IISc наблюдала сильное отклонение от этого закона более чем в 200 раз при низких температурах, демонстрируя разделение механизмов проводимости заряда и тепла.
Дираковская жидкость
Это разделение не является случайным — оказывается, что и проводимость заряда, и проводимость тепла в этом случае зависят от универсальной константы, не зависящей от материала, которая равна кванту проводимости — фундаментальному значению, связанному с движением электронов.
Такое экзотическое поведение возникает в «точке Дирака» — точном электронном переломном моменте, достигаемом путём изменения количества электронов в материале, — где графен не является ни металлом, ни изолятором. В этом состоянии электроны перестают действовать как отдельные частицы и вместо этого движутся вместе, как жидкость, подобно воде, но в сто раз менее вязкой.
«Поскольку такое водяное поведение обнаружено вблизи точки Дирака, оно называется дираковской жидкостью — экзотическим состоянием вещества, которое имитирует кварк-глюонную плазму, суп из высокоэнергетических субатомных частиц, наблюдаемых в ускорителях частиц в ЦЕРНе», — говорит Аникет Маджумдар, первый автор и аспирант физического факультета.
Технологический потенциал
Команда дополнительно измерила вязкость этой дираковской жидкости и обнаружила, что она минимально вязкая, максимально приближенная к идеальной жидкости.
Полученные результаты утверждают графен как идеальную недорогую платформу для изучения концепций из физики высоких энергий и астрофизики, таких как термодинамика чёрных дыр и масштабирование энтропии запутывания, в лабораторных условиях.
С технологической точки зрения наличие дираковской жидкости в графене также имеет значительный потенциал для использования в квантовых датчиках, способных усиливать очень слабые электрические сигналы и обнаруживать чрезвычайно слабые магнитные поля.
Предоставлено Индийским институтом науки.