Международная группа ученых впервые экспериментально зафиксировала в графене необычное состояние вещества — так называемую квантовую «жидкость Дирака», в которой электроны ведут себя как единый поток. Работа опубликована в журнале Nature Physics.
Графен — это материал толщиной в один атом, состоящий из углерода. Он уже давно считается одной из самых перспективных платформ для изучения квантовых эффектов. Однако обнаружить в нем коллективное поведение электронов, напоминающее идеальную жидкость, до сих пор не удавалось из-за дефектов и примесей, разрушающих такие состояния. Исследователи смогли решить эту проблему, создав сверхчистые образцы графена и проведя точные измерения его свойств.
В ходе эксперимента ученые обнаружили эффект, который противоречит одному из базовых законов физики — закону Видемана—Франца. Согласно ему, теплопроводность и электропроводность в металлах должны изменяться согласованно. Однако в графене оказалось наоборот: при увеличении электрической проводимости тепловая снижалась, и наоборот.
Отклонение оказалось более чем в 200 раз, что указывает на принципиально иной режим движения электронов. Такое поведение возникает в особой точке — так называемой точке Дирака, где материал находится на границе между проводником и изолятором. В этих условиях электроны перестают вести себя как отдельные частицы и начинают двигаться коллективно, как жидкость.
По словам авторов работы, это состояние напоминает экстремальную форму материи — кварк-глюонную плазму, которую получают в экспериментах на ускорителях частиц, например в CERN. При этом «электронная жидкость» в графене обладает крайне низкой вязкостью — почти предельной с точки зрения квантовой физики. Это делает ее одним из наиболее близких к идеальной жидкости состояний, когда-либо наблюдавшихся в лаборатории.
Открытие не только расширяет представления о фундаментальных свойствах материи, но и открывает путь к практическим применениям. В частности, графен с такими свойствами может стать основой для создания высокочувствительных квантовых сенсоров и новых электронных устройств.
Авторы отметили, что дальнейшие исследования помогут лучше понять природу этого состояния и использовать его для изучения сложных квантовых процессов, ранее доступных только в экстремальных условиях.
Ранее ученые раскрыли механизм «протонной магистрали» в живых системах.
