Graphene onthult elektronen die zich gedragen als wrijvingsloze vloeistof- en overtreden van leerboekregels

Gedurende enkele decennia is een centrale puzzel in de kwantumfysica onopgelost gebleven: kunnen elektronen zich gedragen als een perfecte, wrijvingsloze vloeistof met elektrische eigenschappen beschreven door een universeel kwantumnummer?

Deze unieke eigenschap van elektronen is tot nu toe uiterst moeilijk te detecteren in elk materiaal vanwege de aanwezigheid van atomaire defecten, onzuiverheden en onvolkomenheden in het materiaal.

Onderzoekers van het Department of Physics, Indian Institute of Science (IISC), samen met medewerkers van het National Institute for Materials Science, Japan, hebben nu eindelijk deze kwantumvloeistof van elektronen in grafeen gedetecteerd – een materiaal bestaande uit een enkel vel pure koolstofatomen.

De resultaten, gepubliceerd in Natuurfysicaopen een nieuw venster in het kwantumrijk en stel grafeen op als een uniek tafellaboratorium voor het verkennen van tot nu toe ongeziene kwantumfenomenen.

“Het is verbazingwekkend dat er zoveel te doen is op slechts één laag grafeen, zelfs na 20 jaar ontdekking”, zegt Arindam Ghosh, professor aan het Department of Physics, IISC, en een van de bijbehorende auteurs van de studie.

Het team ontwikkelde uitzonderlijk schone monsters van grafeen en volgde hoe deze materialen tegelijkertijd elektriciteit en warmte leiden. Tot hun verbazing ontdekten ze een omgekeerde relatie tussen de twee eigenschappen: naarmate de ene waarde (elektrische geleidbaarheid) toenam, nam de andere (thermische geleidbaarheid) af en vice versa.

Dit opmerkelijke fenomeen komt voort uit de dramatische schending van een leerboekprincipe voor metalen, de Wiedemann-Franz-wet, die bepaalt dat de waarden van elektrische en thermische geleidbaarheid recht evenredig moeten zijn.

In hun grafeenmonsters observeerde het IISC -team een ​​sterke afwijking van deze wet met een factor van meer dan 200 bij lage temperaturen, wat de ontkoppeling van lading- en warmtegeleidingsmechanismen aantoont.

Deze ontkoppeling is echter geen willekeurige gebeurtenis-het blijkt dat zowel laad- als warmtegeleiding in dit geval afhankelijk is van een materiaalonafhankelijke universele constante die gelijk is aan het kwantum van de geleiding, een fundamentele waarde die verband houdt met de beweging van elektronen.

Dit exotische gedrag komt naar voren op het “Dirac Point”, een nauwkeurig elektronisch omslagpunt – opgekeed door het aantal elektronen in het materiaal aan te passen – waar grafeen noch een metaal noch een isolator is. In deze toestand houden elektronen op als individuele deeltjes en bewegen in plaats daarvan samen zoals een vloeistof, net als water maar honderd keer minder viskeus.

“Omdat dit waterachtige gedrag wordt gevonden in de buurt van het Dirac-punt, wordt het een Dirac-vloeistof genoemd-een exotische toestand van materie die het Quark-Gluon-plasma nabootst, een soep van zeer energieke subatomaire deeltjes waargenomen in deeltjesaccelerators bij CERN,” zegt Aniket Majumdar, eerste auteur en ph.d. Student van het Department of Physics.

Het team gemeten bovendien de viscositeit van deze Dirac -vloeistof en vond het minimaal viskeus, het dichtst mogelijk tot een perfecte vloeistof.

De bevindingen vestigen grafeen als een ideaal goedkoop platform voor het onderzoeken van concepten van energieke fysica en astrofysica, zoals zwarte gat thermodynamica en entropie-schaling, in een laboratoriumomgeving.

Vanuit een technologisch perspectief heeft de aanwezigheid van Dirac -vloeistof in grafeen ook een aanzienlijk potentieel voor gebruik in kwantumsensoren die in staat zijn om zeer zwakke elektrische signalen te versterken en extreem zwakke magnetische velden te detecteren.