Ερευνητές στο Τμήμα Φυσικής του Ινδικού Ινστιτούτου Επιστημών (IISc), σε συνεργασία με συνεργάτες του Εθνικού Ινστιτούτου Επιστήμης Υλικών στην Ιαπωνία, έχουν εντοπίσει φευγαλέο κβαντικό ρευστό
Τα ηλεκτρόνια να κινούνται σαν ένα τέλεια λείο, χωρίς τριβή ρευστό που διέπεται από μια καθολική κβαντική τιμή;
Για δεκαετίες, οι φυσικοί προσπαθούν να απαντήσουν σε αυτό το θεμελιώδες ερώτημα.
Η ανίχνευση αυτής της ασυνήθιστης συμπεριφοράς έχει αποδειχθεί εξαιρετικά δύσκολη.
Σε πραγματικά υλικά, μικροσκοπικές ατέλειες όπως ατομικά ελαττώματα και ακαθαρσίες, τείνουν να διαταράσσουν αυτά τα ευαίσθητα κβαντικά φαινόμενα, καθιστώντας τα σχεδόν αδύνατη την παρατήρησή τους.
Τώρα, ερευνητές στο Τμήμα Φυσικής του Ινδικού Ινστιτούτου Επιστημών (IISc), σε συνεργασία με συνεργάτες του Εθνικού Ινστιτούτου Επιστήμης Υλικών στην Ιαπωνία, έχουν τελικά εντοπίσει αυτό το φευγαλέο κβαντικό ρευστό στο γραφένιο. Αυτό το υλικό αποτελείται από ένα μόνο στρώμα ατόμων άνθρακα διατεταγμένων σε ένα επίπεδο φύλλο.
Τα ευρήματά τους, που δημοσιεύονται στο Nature Physics, ανοίγουν ένα νέο δρόμο για τη μελέτη των κβαντικών φαινομένων και τοποθετούν το γραφένιο ως μια ισχυρή πλατφόρμα για την εξερεύνηση φαινομένων που προηγουμένως ήταν απρόσιτα σε εργαστηριακά περιβάλλοντα.
«Είναι εκπληκτικό το γεγονός ότι υπάρχουν τόσα πολλά να γίνουν σε ένα μόνο στρώμα γραφενίου ακόμη και μετά από 20 χρόνια ανακάλυψης», λέει ο Arindam Ghosh (καθηγητής στο Τμήμα Φυσικής του IISc και ένας από τους αντίστοιχους συντάκτες της μελέτης).
Παραβιάζοντας έναν Θεμελιώδη Νόμο της Φυσικής
Για να αποκαλύψουν αυτή τη συμπεριφορά, η ομάδα δημιούργησε εξαιρετικά καθαρά δείγματα γραφενίου και μέτρησε προσεκτικά τον τρόπο με τον οποίο άγουν τόσο τον ηλεκτρισμό όσο και τη θερμότητα. Αυτό που βρήκαν ήταν απροσδόκητο.
Αντί να αυξηθούν μαζί, οι δύο ιδιότητες κινήθηκαν σε αντίθετες κατευθύνσεις. Καθώς η ηλεκτρική αγωγιμότητα αυξανόταν, η θερμική αγωγιμότητα μειώθηκε και αντίστροφα.
Αυτό το αποτέλεσμα έρχεται σε άμεση αντίθεση με τον νόμο Wiedemann-Franz, μια καθιερωμένη αρχή που ορίζει ότι η θερμότητα και η ηλεκτρική αγωγιμότητα στα μέταλλα πρέπει να είναι ανάλογες.
Οι ερευνητές παρατήρησαν αποκλίσεις από αυτόν τον νόμο κατά περισσότερες από 200 φορές σε χαμηλές θερμοκρασίες, αποκαλύπτοντας έναν εντυπωσιακό διαχωρισμό μεταξύ του τρόπου με τον οποίο το φορτίο και η θερμότητα κινούνται μέσα από το υλικό.
Μια Παγκόσμια Κβαντική Σύνδεση
Παρά αυτή την ασυνήθιστη διαίρεση, η συμπεριφορά δεν είναι τυχαία. Οι δύο τύποι αγωγιμότητας φαίνεται να ακολουθούν μια παγκόσμια σταθερά που δεν εξαρτάται από το ίδιο το υλικό. Αυτή η σταθερά συνδέεται με το κβάντο της αγωγιμότητας, μια θεμελιώδη ποσότητα που περιγράφει πώς κινούνται τα ηλεκτρόνια στις μικρότερες κλίμακες.
Το Ρευστό Dirac και τα Υγρά-Όμοια Ηλεκτρόνια
Αυτό το αξιοσημείωτο φαινόμενο συμβαίνει σε μια ειδική συνθήκη γνωστή ως «σημείο Dirac», όπου το γραφένιο βρίσκεται σε ένα όριο μεταξύ του να είναι μέταλλο και μονωτής.
Ρυθμίζοντας τον αριθμό των ηλεκτρονίων, οι ερευνητές μπορούν να φτάσουν σε αυτήν την ακριβή κατάσταση.
Σε αυτό το σημείο, τα ηλεκτρόνια σταματούν να συμπεριφέρονται σαν μεμονωμένα σωματίδια. Αντίθετα, κινούνται συλλογικά, ρέοντας σαν υγρό. Αυτή η κίνηση που μοιάζει με ρευστό μοιάζει με νερό αλλά με πολύ χαμηλότερη αντίσταση στη ροή.
«Εφόσον αυτή η συμπεριφορά που μοιάζει με νερό βρίσκεται κοντά στο σημείο Dirac, ονομάζεται ρευστό Dirac», λέει η Aniket Majumdar (συντάκτρια της μελέτης και διδακτορική φοιτήτρια στο Τμήμα Φυσικής).
Η ομάδα μέτρησε επίσης πόσο εύκολα ρέει αυτό το ρευστό και διαπίστωσε ότι το ιξώδες του είναι εξαιρετικά χαμηλό, καθιστώντας το μια από τις πιο κοντινές υλοποιήσεις ενός τέλειου ρευστού που έχουν παρατηρηθεί ποτέ.
Ένα Νέο Παράθυρο στην Ακραία Φυσική
Αυτά τα αποτελέσματα καθιερώνουν το γραφένιο ως ένα προσβάσιμο και οικονομικά αποδοτικό σύστημα για την εξερεύνηση ιδεών που συνήθως σχετίζονται με ακραία περιβάλλοντα.
Οι επιστήμονες μπορούν πλέον να διερευνήσουν φαινόμενα που συνδέονται με τη φυσική και την αστροφυσική υψηλών ενεργειών, συμπεριλαμβανομένης της θερμοδυναμικής των μαύρων οπών και της κλιμάκωσης της εντροπίας εμπλοκής, σε εργαστηριακό περιβάλλον.
Μελλοντικές Εφαρμογές στην Κβαντική Τεχνολογία
Πέρα από την επιστημονική της σημασία, αυτή η ανακάλυψη θα μπορούσε να έχει πρακτικές επιπτώσεις.
Η παρουσία ενός ρευστού Dirac στο γραφένιο μπορεί να επιτρέψει την ανάπτυξη εξαιρετικά ευαίσθητων κβαντικών αισθητήρων.
Τέτοιες συσκευές θα μπορούσαν να ενισχύσουν εξαιρετικά ασθενή ηλεκτρικά σήματα και να ανιχνεύσουν αμυδρά μαγνητικά πεδία, ανοίγοντας την πόρτα σε νέες τεχνολογίες στην ανίχνευση και τη μέτρηση.
www.worldenergynews.gr
