Учёные впервые обнаружили в графене экзотическое квантовое состояние вещества, так называемую «дираковскую жидкость». В этом состоянии электроны ведут себя не как отдельные частицы, а текут подобно идеальной жидкости с почти нулевым трением. Это открытие, сделанное международной командой исследователей из Индии и Японии, проливает свет на фундаментальные вопросы квантовой физики, которые оставались без ответа десятилетиями.
Открытие стало возможным благодаря созданию исключительно чистых образцов графена — материала, представляющего собой один слой атомов углерода. Измеряя его свойства, физики с удивлением обнаружили, что тепло- и электропроводность материала меняются обратно пропорционально. Это прямо противоречит классическому закону Видемана-Франца, который утверждает, что в металлах эти величины должны изменяться синхронно. Отклонение от закона оказалось колоссальным — более чем в 200 раз.
Уникальное жидкообразное поведение электронов проявляется в особых условиях, называемых «точкой Дирака», когда графен находится на грани между состоянием металла и изолятора. Здесь электроны начинают двигаться коллективно. Это состояние напоминает кварк-глюонную плазму — «суп» из высокоэнергетических частиц, который получают в ускорителях вроде ЦЕРНа. Исследователи измерили, что вязкость этой «дираковской жидкости» в графене чрезвычайно мала, что делает её одной из самых совершенных жидкостей, когда-либо наблюдавшихся в природе.
Это открытие превращает графен в уникальную и доступную лабораторную платформу. Учёные теперь могут изучать в нём явления, которые раньше были доступны только в экстремальных условиях — например, в недрах чёрных дыр или в экспериментах по физике высоких энергий. В частности, графен позволяет моделировать поведение частиц в сильных магнитных полях, подобных условиям около чёрных дыр, изучать аналоговые сингулярности и релятивистские эффекты, такие как поведение безмассовых частиц. Таким образом, простой лист углерода открывает новое окно в понимание самых загадочных процессов Вселенной, делая возможными лабораторные эксперименты без необходимости достижения экстремальных энергий.
Помимо фундаментальной важности, открытие имеет и практический потенциал. Наличие «дираковской жидкости» в графене может привести к созданию сверхчувствительных квантовых сенсоров нового поколения. Такие устройства смогут улавливать крайне слабые электрические сигналы и магнитные поля, что откроет новые горизонты в технологиях точных измерений, медицине и материаловедении. Благодаря исключительной электронной подвижности и механической прочности графена, новые сенсоры могут превзойти существующие аналоги, которые уже применяются в магнитоэнцефалографии, геологоразведке и квантовых гироскопах. Графеновые устройства обещают быть более чувствительными, миниатюрными, энергоэффективными и способными работать в экстремальных условиях.
Источник: Graphene just defied a fundamental law of physics