Международная команда физиков из Индийского института науки и Национального института материаловедения Японии впервые экспериментально зафиксировала в графене уникальное состояние электронов, которые движутся как идеальная квантовая жидкость, практически без трения. Это достижение не только подтверждает давние теоретические предсказания, но и открывает принципиально новые возможности для изучения законов микромира и развития квантовых технологий, пишет ScienceDaily.
Для наблюдения необычного эффекта ученые создали сверхчистые образцы графена, минимизировав влияние дефектов и примесей, которые обычно маскируют тонкие квантовые явления. Измерения показали поразительный результат: при низких температурах теплопроводность и электропроводность материала менялись в противоположных направлениях.
Это явление прямо противоречит закону Видемана — Франца, одному из краеугольных камней физики металлов. Согласно этому закону, перенос заряда и тепла в проводниках должен быть пропорциональным. Отклонения, зафиксированные в эксперименте, превысили 200 раз, что стало рекордным показателем и свидетельствовало о переходе электронов в совершенно новое коллективное состояние.
Необычное поведение электронов наблюдается в так называемой «точке Дирака» — особом состоянии вещества, когда графен находится на границе между металлическим и диэлектрическим (изолирующим) состоянием. В этой точке электроны перестают вести себя как отдельные частицы и начинают двигаться синхронно, подобно частицам в потоке жидкости. Это состояние получило название «жидкость Дирака».
«Такое движение напоминает поток воды, но с гораздо меньшим внутренним трением. Жидкость Дирака — это экзотическое состояние материи, которое по своим свойствам схоже с кварк-глюонной плазмой, изучаемой в Большом адронном коллайдере», — поясняет Аникет Маджумдар, первый автор исследования. Вместе с коллегами он измерил вязкость этой электронной жидкости и пришел к выводу, что она является одной из самых «идеальных» жидкостей, когда-либо наблюдавшихся в лабораторных условиях.
Открытие имеет колоссальное значение для фундаментальной науки. Оно подтверждает, что графен является уникальной и экономически доступной платформой для моделирования экстремальных физических процессов. Теперь ученые могут исследовать в лаборатории явления, которые ранее были доступны только для астрофизики или физики высоких энергий.
Кроме того, обнаружение «сверхжидкости» электронов открывает прямой путь к созданию нового поколения квантовых датчиков. Устройства на основе этого эффекта смогут улавливать сверхслабые электрические сигналы и регистрировать минимальные магнитные поля, что даст мощный толчок развитию сенсорики, медицины и высокоточных измерений.
Тем временем химики впервые смогли стабилизировать в воде «невозможную» молекулу, что подтвердило 67-летнюю теорию о действии тиамина внутри организма и открыло путь к более экологичной химии. Подробнее об этом научном достижении рассказали в другом материале Hi-Tech Mail.