Ученые из Индийского института наук совместно с коллегами из Национального института материаловедения Японии разработали сверхчистые образцы графена и впервые зафиксировали в них редкое квантовое состояние – жидкость Дирака. Это открытие меняет представление о поведении электронов в необычных условиях и открывает путь к созданию принципиально новых квантовых технологий.
На протяжении многих десятилетий физики пытались найти ответ на вопрос, могут ли электроны в твердом теле образовывать идеальную жидкость, которая течет без трения и сопротивления? Теоретики предсказывали возможность такого состояния, но подтвердить его существование было чрезвычайно сложно. Даже малейшие примеси или дефекты в кристаллической решётке разрушали тонкие квантовые эффекты, мешая наблюдать искомое явление.
Чтобы обойти эту преграду, индийские и японские исследователи изготовили образцы графена исключительной чистоты. Графен – материал, состоящий всего из одного слоя атомов углерода, который давно считается «чудо-материалом» благодаря своим механическим и электронным свойствам. В идеальных условиях он позволяет рассматривать движение электронов не просто как поток частиц, а как квантовый коллективный процесс.
Проведенные измерения показали неожиданную картину: чем выше становилась электропроводность графена, тем ниже оказывалась его теплопроводность, и наоборот. Это полностью противоречило закону Видемана-Франца, который в обычных металлах связывает оба вида проводимости и утверждает, что они должны изменяться согласованно. В случае графена отклонение от этого закона достигло рекордной величины – более чем в 200 раз.
Анализ показал, что перенос тепла и заряда в графене происходит разными путями, хотя оба процесса подчиняются единым квантовым законам и зависят от фундаментальной константы – кванта проводимости. Наиболее ярко эффект проявился в так называемой «точке Дирака» – особом состоянии, в котором графен перестает быть и металлом, и изолятором. Именно здесь электроны начинают вести себя не как отдельные частицы, а как единая квантовая жидкость с крайне низкой вязкостью. Эта дираковская жидкость течет в сотни раз легче воды и по своим свойствам напоминает кварк-глюонную плазму – экзотическое состояние материи, которое ранее удавалось получить лишь на мощных ускорителях частиц.
Значение открытия трудно переоценить. Для фундаментальной науки графен превращается в удобную настольную лабораторию, где можно изучать явления, связанные с физикой высоких энергий. Есть перспектива и для прикладных областей: дираковская жидкость может лечь в основу квантовых сенсоров нового поколения, способных улавливать сверхслабые электрические и магнитные сигналы. Такие устройства могут найти применение в медицине, где требуется фиксировать малейшие биоэлектрические импульсы, в телекоммуникациях для передачи информации с высокой точностью, а также в вычислительной технике, где все большее значение приобретают квантовые технологии.
