Zespół badawczy z Indyjskiego Instytutu Nauki dokonał obserwacji, które mogą zmienić sposób postrzegania transportu elektronów. W ultraczystych próbkach grafenu zaobserwowano nietypowe zachowanie elektronów, które przestają funkcjonować jako indywidualne cząstki, a zaczynają tworzyć skoordynowany kolektyw.
Elektrony tworzą swoisty płyn kwantowy
We współpracy z japońskim Narodowym Instytutem Nauk o Materiałach, indyjscy naukowcy odkryli egzotyczne zjawisko występujące w specjalnym punkcie zwanym punktem Diraca. To precyzyjny elektroniczny punkt krytyczny osiągany poprzez kontrolowane dostrojenie liczby elektronów w materiale. W tym stanie grafen traci swoje standardowe właściwości, znajdując się w unikalnym stanie pośrednim między metalem a izolatorem.
Punkt Diraca i płyn sto razy mniej lepki od wody
W punkcie Diraca formuje się tak zwany płyn Diraca — egzotyczny stan materii o wyjątkowych cechach. Badacze zmierzyli jego lepkość, odkrywając, że jest ona minimalna i najbliższa teoretycznemu płynowi doskonałemu. Co ciekawe, ten kwantowy płyn okazał się być sto razy mniej lepki niż zwykła woda.
Czytaj także: Przełomowe odkrycie w fotowoltaice. Rachunki za prąd mogą spaść o połowę
Ten niezwykły stan materii przypomina plazmę kwarkowo-gluonową, egzotyczną zupę wysokoenergetycznych cząstek subatomowych obserwowaną dotąd tylko w potężnych akceleratorach cząstek w CERN. Teraz podobne zjawisko można badać w konwencjonalnym laboratorium na pojedynczej warstwie atomów węgla.
Dramatyczne naruszenie fundamentalnego prawa fizyki.
Najważniejszym aspektem odkrycia okazało się gigantyczne naruszenie prawa Wiedemanna-Franza – fundamentalnej zasady opisującej związek między przewodnictwem elektrycznym a cieplnym w metalach. Zgodnie z tym prawem oba typy przewodnictwa powinny pozostawać wprost proporcjonalne.
Tymczasem w próbkach grafenu zespół odkrył odwrotną zależność: gdy przewodnictwo elektryczne rosło, przewodnictwo cieplne malało i na odwrót. Skala tego naruszenia była zdumiewająca — przekraczała wartość teoretyczną o ponad 200 razy w niskich temperaturach.
To niezwykłe zjawisko wynika z odsprzężenia mechanizmów przewodzenia ładunku i ciepła w grafenie. Odkrycie dowodzi, że w tym materiale transport elektronów podlega zupełnie innym prawom niż w konwencjonalnych metalach.
Zjawisko opiera się na uniwersalnej stałej równej kwantowi przewodnictwa — fundamentalnej wartości związanej z ruchem elektronów. Ta stała jest niezależna od materiału i ma charakter kwantowy, co ustanawia nowe podstawy dla zrozumienia transportu elektronów w materiałach przyszłości.
Rewolucyjne zastosowania w nauce i technologii
Odkrycie płynu Diraca w grafenie otwiera interesujące perspektywy w dwóch kluczowych obszarach. Grafen staje się atrakcyjną, niskokosztową platformą do badania najbardziej egzotycznych koncepcji z fizyki wysokich energii i astrofizyki. Naukowcy zyskują możliwość badania w laboratorium zjawisk takich jak termodynamika czarnych dziur czy skalowanie entropii splątania. Oznacza to, że eksperymenty dotychczas wymagające gigantycznych akceleratorów cząstek mogą stać się możliwe do przeprowadzenia na zwykłym stole laboratoryjnym.
Czujniki kwantowe nowej generacji
Z praktycznego punktu widzenia płyn Diraca oferuje znaczący potencjał technologiczny. Może znaleźć zastosowanie w czujnikach kwantowych zdolnych do wzmacniania bardzo słabych sygnałów elektrycznych, wykrywania niezwykle słabych pól magnetycznych oraz precyzyjnych pomiarów w skali kwantowej.
Tego typu czujniki mogłyby znaleźć zastosowanie w medycynie, geofizyce czy astronomii, gdzie konieczne jest wykrywanie najsłabszych sygnałów.
Czytaj także: Giętki jak akordeon, twardy jak diament. Nowa era grafenu nadchodzi
Badania opublikowane 13 sierpnia 2025 roku w prestiżowym periodyku Nature Physics pokazują, że po dwóch dekadach od odkrycia grafen wciąż kryje w sobie niespodzianki. Ta pojedyncza warstwa atomów węgla może stać się kluczem do zrozumienia najbardziej fundamentalnych praw rządzących wszechświatem — i to wszystko w laboratorium wielkości biurka.
Co to oznacza dla przyszłości badań?
Odkrycie zespołu z Indyjskiego Instytutu Nauki otwiera nowe możliwości zarówno w badaniach podstawowych, jak i potencjalnych zastosowaniach praktycznych. Może to być klucz do stworzenia nowych typów czujników kwantowych i lepszego zrozumienia zjawisk obserwowanych w akceleratorach cząstek.