Графен показал «идеальную» квантовую жидкость и нарушил закон Видемана—Франца⁠⁠

Ученые Индийского института науки (IISc) совместно с Национальным институтом материаловедения Японии впервые зафиксировали в графене поведение электронов как почти идеальной квантовой жидкости.

Идеальная квантовая жидкость - абстрактная модель вещества, свойства которого определяются квантовыми эффектами, а не классической гидродинамикой, где идеальной жидкостью называется жидкость без вязкости и сил внутреннего трения.

В сверхчистых образцах исследователи обнаружили резкое расхождение между теплопроводностью и электропроводностью — отклонение от закона Видемана—Франца превысило 200 раз при низких температурах.

Команда изготовила исключительной чистоты однослойные образцы графена и одновременно измеряла перенос заряда и тепла. Вместо ожидаемой пропорциональности в металлах ученые увидели обратную зависимость: рост электропроводности сопровождался падением теплопроводности и наоборот. Анализ показал, что механизмы переноса заряда и тепла «расцепляются», но при этом оба подчиняются универсальной величине, связанной с квантумом проводимости — фундаментальной константой электронного транспорта.

Необычный режим проявился вблизи так называемой точки Дирака, где графен не является ни металлом, ни изолятором. Здесь электроны и дырки перестают вести себя как независимые частицы и текут подобно жидкости с минимально возможной вязкостью — дираковскому флюиду. По оценкам авторов, эта «квантовая жидкость» во много раз менее вязкая, чем вода, и по своим свойствам напоминает кварк-глюонную плазму, наблюдаемую на крупных ускорителях.

Открытие делает графен удобной и доступной лабораторией для проверки идей из физики высоких энергий и астрофизики — от термодинамики черных дыр до масштабирования энтропии запутанности — в настольных экспериментах. С прикладной точки зрения дираковский флюид открывает путь к новым типам квантовых сенсоров, способных усиливать сверхслабые электрические сигналы и фиксировать крайне слабые магнитные поля, отмечают в IISc.