(Изображение: Technology Networks)
- Експеримент с графен показва значително нарушение на закона на Вийдеман-Франц
- Топлопроводимостта и електрическата проводимост се движат в противоположни посоки
- Отклонението от класическия закон надвишава двеста пъти при специфични условия
Законът на Вийдеман-Франц е бил надеждно правило в кондензираната материя в продължение на десетилетия.
Този принцип гласи, че способността на материал да провежда електричество трябва да се повишава и понижава в синхрон с неговата способност да провежда топлина.
Екип от изследователи от Индийския институт по наука и Националния институт за материали в Япония документира драматично нарушение на този дългогодишен принцип.
Неочаквано объркване в дирекната точка
Техните експерименти с графен, един слой от въглеродни атоми, показват, че електрическата и топлопроводимостта могат да се движат в противоположни посоки, вместо да действат заедно.
Учените създадоха изключително чисти графенови проби, за да елиминират смущения от атомни дефекти и примеси.
След това внимателно измериха и електрическата, и топлопроводимостта при различни условия. Резултатът беше поразителна противоречие на установената физика.
С увеличаване на електрическата проводимост, топлопроводимостта намаляваше и обратното също се случваше.
При ниски температури наблюдаваното отклонение от закона на Вийдеман-Франц надвишаваше 200 пъти.
Тази разделителна линия между потока на заряд и потока на топлина не е малко отклонение, а основно нарушение на правило, което е ръководило физиците повече от век.
Въпреки това, това поведение не е случайно. И двата типа проводимост изглежда, че подчиняват на универсална константа, която не зависи от специфичните свойства на материала.
Тази константа е свързана директно с квантовата проводимост, основна величина, която управлява как електроните се движат на най-малките възможни мащаби.
Изследователите постигнаха това необичайно състояние, като настроиха плътността на електроните до специално условие, известно като дирекната точка, където графенът е точно между метали и изолатори.
На тази критична точка електроните спират да действат като независими частици. Вместо това, те се движат колективно, образувайки флуид, който тече с изключително ниско съпротивление.
„Тъй като това поведение, подобно на вода, се намира близо до дирекната точка, то се нарича дирекционен флуид – екзотично състояние на материята, което имитира кварк-глуонната плазма, супа от силно енергийни субатомни частици, наблюдавани в ускорители на частици в CERN“, обяснява Аникет Маджумдар, първи автор и докторант в катедрата по физика.
Екипът измери вискозитета на флуида и установи, че той е изключително нисък, което прави тази система една от най-близките реализации на перфектен флуид, наблюдавани в лаборатория.
Това откритие трансформира графена в прозорец към екстремната физика.
Учените сега могат да изследват явления, обикновено свързани с термодинамиката на черните дупки и високоенергийните сблъсъци на частици, без да напускат лабораториите си.
Дирекционният флуид може да позволи създаването на много чувствителни квантови сензори, способни да откриват слаби магнитни полета или да усилват изключително слаби електрически сигнали.
Въпреки че експериментът не отменя всички физични закони, той показва, че дори основните закони имат ограничения, когато квантовата механика и колективното поведение на електроните се сблъскват.
