Grafen Razotkriva Pukotine U Wiedemann–Franzovom Zakonu: Električna I Toplotna Provodljivost Idú U Suprotne Smerove

Istraživači sa Indian Institute of Science (IISc) i National Institute for Materials Science (NIMS) iz Japana zabeležili su neočekivano i dramatično kršenje dobro poznatog Wiedemann–Franzovog zakona u izuzetno čistim uzorcima grafena. Umesto uobičajenog sinkronog ponašanja, električna i toplotna provodljivost su u nekim uslovima kretale u suprotnim smerovima.

Najvažniji rezultati

Tim je preciznim merenjima ustanovio da pri podešavanju gustine elektrona do takozvane Diracove tačke grafen prelazi u režim u kojem elektroni više ne deluju kao nezavisne čestice. U tom kritičnom stanju formira se kolektivni „Diracov fluid“ koji vodi električni naboj i toplotu na vrlo različite načine: dok se električna provodljivost povećavala, termalna provodljivost je opadala — i obrnuto. Na niskim temperaturama odstupanje od očekivanog odnosa po Wiedemann–Franzu prelazilo je više od 200 puta.

Kako su izveli merenja

Da bi eliminisali uticaj defekata i nečistoća, naučnici su koristili izuzetno čiste uzorke grafena i merili obe vrste provodljivosti kroz širok raspon uslova (temperatura i gustine nosilaca). Rezultati pokazuju jasno i reproducibilno razdvajanje između transporta naboja i toplote u blizini Diracove tačke.

Google logo on a black background next to text reading 'Click to follow TechRadar'

Fizikalno objašnjenje

U blizini Diracove tačke elektroni prelaze iz režima nezavisnih kvazičestica u kolektivni režim koji se opisuje kao fluid sa veoma niskom viskoznošću. Tim je izmerio i vrlo malu viskoznost tog fluida, što ga čini jednom od najbližih realizacija tzv. "savršene tečnosti" u laboratorijskim uslovima. Iako se ponašanje odbija od klasičnog zakona, obe vrste provodljivosti delimično slede univerzalne konstante povezane sa kvantom vodljivosti — pokazatelj da je reč o kvantnom i univerzalnom fenomenu, a ne o čistoj grešci merenja.

Aniket Majumdar, prvi autor i doktorand, objašnjava: "Pošto se ovo ponašanje nalik vodi javlja u blizini Diracove tačke, nazivamo ga Diracov fluid — egzotično stanje materije koje podseća na kvark-gluonsku plazmu viđenu u ubrzivačima kao što je CERN."

Zašto je otkriće važno

Otkrivanje takvog raskida Wiedemann–Franzovog odnosa u grafenu otvara nove puteve za istraživanje kvantnih kolektivnih pojava na stolu. Posledice su višestruke:

• Grafen postaje modelni sistem za proučavanje kvantnih fluida koji su obično dostupni samo u ekstremnim uslovima (npr. u akceleratorima čestica).
• Proučavanje niske viskoznosti i kolektivnog transporta može pomoći u razvoju nove klase kvantnih senzora, izuzetno osetljivih na slabija magnetska polja ili slabe električne signale.
• Rezultati preciznije određuju granice primene klasičnih zakona transporta i daju smernice za teorijska objašnjenja kolektivnog ponašanja elektrona.

Ograničenja i dalji koraci

Iako otkriće ne poništava fundamentalne zakone fizike, pokazuje njihove granice u kvantnim i kolektivnim režimima. Potrebna su dalja merenja u širokom opsegu temperatura, drugačijih materijalnih konfiguracija i teorijska objašnjenja kako bi se potpuno razumele mehanike Diracovog fluida i povezane univerzalne konstante.

Zaključak: Eksperimenti na grafenu otkrivaju da u kvantnim kolektivnim režimima osnovna očekivanja o povezanosti toplotnog i električnog transporta mogu drastično da se promene. To otvara nove pravce u osnovnim i primenjenim istraživanjima — od fundamentalne teorije do potencijalnih kvantnih uređaja.