Recent research at the Indian Institute of Science has unveiled a groundbreaking phenomenon in graphene where electrons exhibit behavior akin to a near-frictionless liquid, challenging established principles of physics.
Fizikos dėsnių pažeidimas
Fizikai ilgą laiką bandė atsakyti į klausimą, ar elektronai gali judėti kaip idealiai sklandi, be trinties skystis, laikydamiesi universalaus kvantinio dydžio. Nustatyti šį neįprastą elgesį buvo itin sudėtinga, kadangi tikrosiose medžiagose smulkūs defektai ir nešvarumai dažnai trikdo šiuos subtilius kvantinius efektus, todėl juos beveik neįmanoma stebėti.
Naujausi tyrimai, atlikti Indijos mokslo institute (IISc) kartu su Japonijos Nacionaliniu medžiagų mokslo institutu, pagaliau atskleidė šį paslaptingą kvantinį skystį grafene. Grafenas yra viena anglies atomų sluoksnio struktūra, sudaryta plokščioje plokštelėje. Tyrimo rezultatai, paskelbti “Nature Physics”, atveria naują kelią kvantinių reiškinių tyrimams ir pozicionuoja grafeną kaip galingą platformą, leidžiančią tyrinėti anksčiau nepasiekiamus efektus laboratorinėse sąlygose.
Stebėtinas elgesys
Norėdami atskleisti šį elgesį, tyrėjai sukūrė itin švarius grafeno mėginius ir kruopščiai matavo, kaip jie veda elektrą ir šilumą. Nustatyta, kad šios dvi savybės juda priešingomis kryptimis: kai elektrinė laidumo vertė didėjo, šiluminė laidumo vertė mažėjo, ir atvirkščiai. Šis rezultatas tiesiogiai prieštarauja gerai žinomam Wiedemann-Franz dėsniui, kuris teigia, kad šilumos ir elektrinė laidumo vertė metaluose turėtų būti proporcinga. Tyrėjai stebėjo šio dėsnio nukrypimus, viršijančius 200 kartų esant žemoms temperatūroms, atskleidžiant ryškų skirtumą tarp to, kaip krūvis ir šiluma juda per medžiagą.
Universali kvantinė sąsaja
Nors šis elgesys atrodo neįprastas, jis nėra atsitiktinis. Abu laidumo tipai, atrodo, laikosi universalaus konstantos, kuri nepriklauso nuo pačios medžiagos. Ši konstanta susijusi su kvantiniu laidumu, fundamentaliniu dydžiu, apibūdinančiu, kaip elektronai juda pačiu mažiausiu mastu.
Dirako skystis ir skysti elektronai
Šis nuostabus efektas įvyksta specialiomis sąlygomis, vadinamomis “Dirako tašku”, kur grafenas yra metalinės ir izoliacinės medžiagos riba. Reguliuodami elektronų skaičių, tyrėjai gali pasiekti šį tikslų tašką. Šiuo tašku elektronai nustoja elgtis kaip atskiros dalelės. Vietoj to, jie juda kolektyviai, tekėdami kaip skystis. Šis skystiškas judėjimas primena vandenį, tačiau su daug mažesniu pasipriešinimu srautui. “Kadangi šis vandeniškas elgesys randamas šalia Dirako taško, jis vadinamas Dirako skysčiu – egzotiška medžiaga, kuri imituoja kvarkų-gluonų plazmą, stebimą dalelių greitintuvuose CERN,” teigia Aniket Majumdar, pirmasis tyrimo autorius ir IISc doktorantas.
Naujos galimybės kvantinėse technologijose
Šių rezultatų svarba neapsiriboja tik moksliniais tyrimais; jie gali turėti praktinių pasekmių. Dirako skysčio buvimas grafene gali leisti plėtoti itin jautrius kvantinius jutiklius. Tokie prietaisai galėtų sustiprinti labai silpnus elektrinius signalus ir aptikti silpnus magnetinius laukus, atverdami kelią naujoms technologijoms matavimuose ir jutiklių gamyboje.
