Το γραφένιο «έσπασε» έναν θεμελιώδη νόμο της Φυσικής

Η επιστήμη μόλις έκανε ένα σημαντικό άλμα προόδου, καθώς για πρώτη φορά, ερευνητές παρατήρησαν ηλεκτρόνια γραφενίου να συμπεριφέρονται σαν ένα σχεδόν τέλειο κβαντικό υγρό, προκαλώντας ανατροπή σε έναν νόμο που θεωρείτο αδιαπραγμάτευτος στη Φυσική. Η ομάδα του Indian Institute of Science (IISc), σε συνεργασία με το National Institute for Materials Science της Ιαπωνίας, κατάφερε να δημιουργήσει εξαιρετικά καθαρά δείγματα γραφενίου (ένα υλικό που αποτελείται από μια μονοστρωματική διάταξη ατόμων άνθρακα) και να μελετήσει τη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων σε πρωτοφανή λεπτομέρεια.

Για δεκαετίες, οι επιστήμονες αναρωτιούνταν αν τα ηλεκτρόνια θα μπορούσαν να συμπεριφέρονται σαν ένα ιδανικό, σχεδόν χωρίς τριβές υγρό, όπου η ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα θα υπάγονταν σε έναν καθολικό κβαντικό κανόνα. Η παρατήρηση αυτού του φαινομένου είχε μέχρι τώρα αποτύχει λόγω ατελειών και προσμίξεων στα υλικά, που εμπόδιζαν την ομαλή ροή των ηλεκτρονίων.

Η ομάδα του IISc κατάφερε να ξεπεράσει αυτά τα εμπόδια και ανακάλυψε κάτι εκπληκτικό: σε συγκεκριμένες συνθήκες, κοντά στο λεγόμενο «σημείο Dirac», η μεταφορά ηλεκτρικού φορτίου και θερμότητας σε γραφένιο αποσυνδέεται πλήρως. Παραδοσιακά, η Wiedemann-Franz law υποστήριζε ότι η ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα σε μέταλλα πρέπει να είναι άμεσα αναλογικές. Στα δείγματα του IISc, οι ερευνητές μέτρησαν απόκλιση μεγαλύτερη από 200 φορές σε χαμηλές θερμοκρασίες, αποδεικνύοντας ότι τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται με τρόπο που αντιβαίνει αυτή τη θεμελιώδη αρχή.

Σε αυτό το σπάνιο φαινόμενο, τα ηλεκτρόνια δεν κινούνται πια ως μεμονωμένα σωματίδια. Αντίθετα, ρέουν συλλογικά, όπως ένα υγρό, αλλά με ιξώδες εκατό φορές χαμηλότερο από αυτό του νερού. Η κατάσταση αυτή ονομάζεται «ρευστό Dirac» και θυμίζει το πλάσμα κουάρκ-γκλουονίων, ένα εξωτικό είδος υψηλής ενέργειας που παρατηρείται σε επιταχυντές σωματιδίων, όπως ο LHC στο CERN. Η μέτρηση του ιξώδους απέδειξε ότι πλησιάζει το θεωρητικά ελάχιστο, καθιστώντας το ρευστό Dirac το πιο κοντινό σε τέλειο υγρό που έχει παρατηρηθεί.

Τα ευρήματα έχουν διπλή σημασία: από τη μία ανατρέπουν εγχειρίδια Φυσικής και ανοίγουν νέους δρόμους για πειράματα σε κβαντική φυσική και αστροφυσική, όπως η Θερμοδυναμική των μαύρων τρυπών και η μελέτη της κβαντικής εμπλοκής (entanglement entropy). Από την άλλη, η ανακάλυψη έχει πρακτικές εφαρμογές, καθώς η παρουσία του ρευστού Dirac σε γραφ’ενιο προσφέρει τη δυνατότητα κατασκευής κβαντικών αισθητήρων υψηλής ευαισθησίας, ικανών να ενισχύουν πολύ ασθενή ηλεκτρικά σήματα ή να ανιχνεύουν εξαιρετικά χαμηλά μαγνητικά πεδία.

Ο καθηγητής Arindam Ghosh, επικεφαλής της μελέτης, τόνισε την έκπληξη που προκαλεί το γεγονός ότι ακόμη και σε μια μονοστρωματική διάταξη γραφενίου, 20 χρόνια μετά την ανακάλυψή του, εμφανίζονται τόσο πρωτοφανή φαινόμενα. 

[via]