Группа физиков из Индийского научного института и Национального института материаловедения Японии обнаружила в графене экзотическое состояние материи, при котором электроны ведут себя как идеальная жидкость с минимальным трением. Результаты исследования, опубликованные в журнале «Nature Physics», подтверждают существование квантового потока частиц, который ранее было практически невозможно зафиксировать из-за микроскопических дефектов и примесей в структуре большинства материалов.
Для проведения эксперимента ученые синтезировали образцы графена исключительной чистоты и проанализировали механизмы проводимости тепла и электричества. В ходе измерений было выявлено прямое противоречие закону Видемана – Франца. Этот фундаментальный принцип классической физики постулирует пропорциональность между тепловой и электрической проводимостью металлов. В исследуемом материале при низких температурах эти свойства начали меняться в противоположных направлениях, а разрыв между ними превысил стандартные значения более чем в 200 раз.
Эффект проявляется в так называемой точке Дирака – состоянии, когда графен балансирует на границе между металлом и диэлектриком. В этот момент электроны утрачивают индивидуальный характер движения и начинают перемещаться коллективно, подобно потоку воды. Ученые характеризуют это состояние как дираковскую жидкость. Она обладает экстремально низкой вязкостью, что делает ее одним из наиболее точных воплощений идеальной жидкости, когда-либо наблюдавшихся в лабораторных условиях. По своим свойствам эта субстанция напоминает кварк-глюонную плазму, возникающую при столкновении частиц в мощных ускорителях.
Полученные данные открывают возможность изучать сложные явления астрофизики и физики высоких энергий, включая термодинамику черных дыр и квантовую запутанность, с помощью относительно простых лабораторных систем. Кроме того, обнаруженные свойства дираковской жидкости могут быть использованы при разработке сверхчувствительных квантовых сенсоров. Такие приборы позволят фиксировать аномально слабые магнитные поля и электрические сигналы, что найдет применение в создании измерительных технологий нового поколения.
