Τα ηλεκτρόνια στο γραφένιο μπορούν να συμπεριφερθούν σαν ένα τέλειο υγρό, αψηφώντας τους γνωστούς νόμους της φυσικής. Αυτή η ανακάλυψη προωθεί τόσο την κατανόηση της βασικής επιστήμης όσο και τις μελλοντικές εφαρμογές στις κβαντικές τεχνολογίες.
Για δεκαετίες, η κβαντική φυσική έχει καταπιαστεί με ένα θεμελιώδες ερώτημα: Μπορούν τα ηλεκτρόνια να κινούνται σαν ένα άψογο, χωρίς καμία αντίσταση υγρό που διέπεται από μια καθολική κβαντική σταθερά; Η ανίχνευση αυτής της ασυνήθιστης κατάστασης, έχει αποδειχθεί σχεδόν αδύνατη στα περισσότερα υλικά από τη στιγμή που τα ελαττώματα σε ατομικό επίπεδο, οι προσμίξεις και οι δομικές ανωμαλίες διαταράσσουν το φαινόμενο.
Κάτω αριστερά: Άνω όψη της πραγματικής συσκευής, όπως φαίνεται υπό οπτικό μικροσκόπιο.
Δεξιά: Καλλιτεχνική απεικόνιση των ηλεκτρονίων που κινούνται σαν ρευστό μέσα στο γραφένιο.
Φωτογραφία: Aniket Majumdar
Ανίχνευση κβαντικών υγρών στο γραφένιο
Μια ομάδα ερευνητών από το Τμήμα Φυσικής του Indian Institute of Science (IISc), σε συνεργασία με επιστήμονες από το National Institute for Materials Science της Ιαπωνίας, κατάφερε να εντοπίσει για πρώτη φορά αυτό το σπάνιο ηλεκτρονικό «υγρό» στο γραφένιο – ένα υλικό που αποτελείται από ένα μόνο στρώμα ατόμων άνθρακα.
Τα ευρήματά τους, τα οποία δημοσιεύονται στο Nature Physics, ανοίγουν έναν νέο δρόμο στην κβαντική φυσική και επαληθεύουν τον ρόλο του γραφενίου ως μια ισχυρή πλατφόρμα για τη μελέτη ασυνήθιστων κβαντικών φαινομένων.
«Είναι καταπληκτικό πως, μπορούν να γίνουν ακόμα τόσα πολλά σε ένα μόνο στρώμα γραφενίου, ακόμη και 20 χρόνια μετά την ανακάλυψή του», σημειώνει ο Arindam Ghosh, καθηγητής στο τμήμα φυσικής, IISc, και ένας από τους συγγραφείς που συνυπογράφουν τη μελέτη.
Οι ερευνητές δημιούργησαν εξαιρετικά καθαρά δείγματα γραφενίου και παρακολούθησαν τόσο την ηλεκτρική όσο και τη θερμική αγωγιμότητα. Προς έκπληξή τους, παρατήρησαν ότι οι δύο αυτές ιδιότητες κινούνταν σε αντίθετες κατευθύνσεις: όταν αυξανόταν η ηλεκτρική αγωγιμότητα, η θερμική αγωγιμότητα μειωνόταν, και το αντίστροφο.
Το απροσδόκητο αυτό αποτέλεσμα, αποκάλυψε μια εντυπωσιακή απόκλιση από τον νόμο Wiedemann-Franz, έναν γνωστό κανόνα στη φυσική των μετάλλων, σύμφωνα με τον οποίο, οι δύο αγωγιμότητες πρέπει να είναι άμεσα αναλογικές.
Στα δείγματα γραφενίου τους, η ομάδα του IISc παρατήρησε ότι ο νόμος αυτός… δεν ίσχυε σχεδόν καθόλου σε χαμηλές θερμοκρασίες. Η απόκλιση ήταν τεράστια – πάνω από 200 φορές – δείχνοντας ότι οι μηχανισμοί αγωγής ηλεκτρικού ρεύματος και θερμότητας λειτουργούν ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλο.
Αυτή η αποσύνδεση, όμως, δεν είναι τυχαίο γεγονός – αποδείχθηκε ότι τόσο η αγωγιμότητα του φορτίου όσο και η αγωγιμότητα της θερμότητας σε αυτή την περίπτωση βασίζονται σε μια καθολική σταθερά, ανεξάρτητη από το υλικό, η οποία ισούται με την κβάντωση της αγωγιμότητας, μια θεμελιώδης τιμή που σχετίζεται με την κίνηση των ηλεκτρονίων.
Σημείο Dirac και εξωτικές καταστάσεις της ύλης
Αυτή η εξωτική συμπεριφορά εμφανίζεται στο «Σημείο Dirac», ένα ακριβές ηλεκτρονικό όριο – που επιτυγχάνεται με την τροποποίηση του αριθμού των ηλεκτρονίων στο υλικό. Σε αυτή την κατάσταση, το γραφένιο δεν είναι ούτε μέταλλο ούτε μονωτής και τα ηλεκτρόνια σταματούν να λειτουργούν ως μεμονωμένα σωματίδια και κινούνται μαζί όπως ένα υγρό, σαν το νερό αλλά με ιξώδες εκατό φορές μικρότερο.
«Από τη στιγμή που η συμπεριφορά που μοιάζει με εκείνη του νερού, επιτυγχάνεται κοντά στο σημείο Dirac, έχει ονομαστεί ρευστό Dirac (Dirac Fluid)– μια εξωτική κατάσταση της ύλης που μιμείται το πλάσμα κουάρκ-γλουονίων (ή QGP), ένα μείγμα εξαιρετικά ενεργητικών υποατομικών σωματιδίων που παρατηρείται σε επιταχυντές σωματιδίων στο CERN» εξηγεί ο Aniket Majumdar, πρώτος συγγραφέας της μελέτης και διδακτορικός ερευνητής στο τμήμα φυσικής.
Ακόμη, η ομάδα μέτρησε το ιξώδες αυτού του υγρού Diracκαι διαπίστωσε πως είναι ελάχιστα ιξώδες, δηλαδή πλησιάζει όσο το δυνατόν περισσότερο ένα τέλειο ρευστό.
Τα ευρήματα, καθιερώνουν το γραφένιο ως την ιδανική, χαμηλού κόστους πλατφόρμα για την εξερεύνηση εννοιών από τη φυσική υψηλών ενεργειών και την αστροφυσική, όπως είναι η θερμοδυναμική των μαύρων τρυπών και η κλιμάκωση της εντροπίας εμπλοκής, σε συνθήκες εργαστηρίου.
Από τεχνολογική σκοπιά, η παρουσία του ρευστού Dirac στο γραφένιο, προσφέρει επίσης σημαντικές δυνατότητες για χρήση σε κβαντικούς αισθητήρες, ικανούς να ενισχύσουν πολύ ασθενή ηλεκτρικά σήματα και να ανιχνεύσουν εξαιρετικά αδύναμα μαγνητικά πεδία.
