Co je to Diracova tekutina – a proč na ní záleží

Když elektrony přestanou být částicemi

Ve většině kovů se elektrony odrážejí mřížkou atomů jako kuličky v pinballu, rozptylují se na nečistotách a vibracích. Tento chaotický pohyb je základem elektrického odporu a důvodem, proč se dráty zahřívají, když jimi protéká proud. Ale v grafenu – vrstvě uhlíku o tloušťce jediného atomu – fyzici objevili podmínky, za kterých elektrony opouštějí svou individualitu a pohybují se společně jako kapalina. A ne jen tak ledajaká kapalina: taková, jejíž viskozita je tak nízká, že konkuruje nejexotičtějším tekutinám ve známém vesmíru.

Vědci tento stav nazývají Diracova tekutina a přepisuje to, jak fyzici uvažují o elektrickém transportu, kvantové hmotě a dokonce i o spojení mezi experimentem na stole a následky Velkého třesku.

Jak se elektrony stávají tekutinou

Klíčem je neobvyklá elektronová struktura grafenu. Jeho elektrony se řídí Diracovou rovnicí, stejným matematickým rámcem, který popisuje bezhmotné relativistické částice. Ve speciálním bodě ladění zvaném bod nábojové neutrality (nebo Diracův bod) se materiál nachází na ostří nože mezi kovem a izolantem. Rovné populace elektronů a děr koexistují a interagují tak silně, že se uzamknou do kolektivního pohybu.

Místo toho, aby se částice rozptylovaly nezávisle na defektech, srážejí se navzájem mnohem častěji než s čímkoli jiným. Tyto časté vzájemné srážky redistribuují hybnost mezi částicemi a roj se začíná řídit Navier-Stokesovými rovnicemi – stejnými hydrodynamickými zákony, které řídí vodu proudící potrubím.

Výzkumníci z Weizmannova institutu věd přímo zobrazili toto chování skenováním tranzistoru z uhlíkové nanotrubice přes grafenový kanál. Při teplotách mezi 75 a 150 Kelviny vykazoval tok elektronů parabolický profil charakteristický pro Poiseuilleův tok – charakteristický znak viskózní tekutiny, nikoli běžného vodiče.

Porušení Wiedemann-Franzova zákona

Jedním z nejvýraznějších důsledků je pravidlo, kterému fyzici důvěřují od roku 1853. Wiedemann-Franzův zákon uvádí, že v kovu elektrická a tepelná vodivost rostou a klesají společně v pevném poměru. Diracova tekutina to popírá: jak se zvyšuje elektrická vodivost, tepelná vodivost klesá a naopak.

Tým vedený Arindamem Ghošem z Indického institutu věd naměřil odchylky přesahující 200násobek očekávané hodnoty při nízkých teplotách. „Protože se toto chování podobné vodě nachází v blízkosti Diracova bodu, nazývá se Diracova tekutina – exotický stav hmoty, který napodobuje kvark-gluonové plazma,“ vysvětlil první autor Aniket Majumdar.

Velký třesk na stole

Kvark-gluonové plazma je prvotní polévka, která naplnila vesmír mikrosekundy po Velkém třesku. Jeho rekonstrukce vyžaduje urychlovače částic rozbíjející těžké ionty téměř rychlostí světla. Přesto Diracova tekutina v grafenu sdílí definující rys: obě jsou téměř dokonalé tekutiny, což znamená, že jejich viskozita se blíží nejnižší hodnotě, kterou kvantová mechanika umožňuje.

Toto spojení umožňuje fyzikům kondenzovaných látek studovat relativistickou hydrodynamiku – obvykle doménu fyziky vysokých energií – na vzorku o velikosti čipu při dostupných teplotách. Překlenuje dvě oblasti, které se zřídka překrývají, a nabízí způsob, jak testovat teoretické předpovědi o silně vázaných kvantových systémech bez miliardových urychlovačů.

Proč na tom záleží i mimo laboratoř

Pochopení hydrodynamiky elektronů má praktické důsledky. Když elektrony proudí kolektivně, spíše než aby se rozptylovaly náhodně, mohou přenášet proud s dramaticky menší disipací. Mezi potenciální aplikace patří:

• Ultra-citlivé kvantové senzory, které zesilují slabé elektrické signály a detekují slabá magnetická pole
• Elektronická zařízení s nízkou disipací, která využívají viskózní tok ke snížení energetických ztrát
• Nové sondy pro exotické materiály, jako je zkroucený dvouvrstvý grafen a vysokoteplotní supravodiče, kde hydrodynamické chování může skrývat klíče k nevyřešeným hádankám

Diracova tekutina také poskytuje výzkumníkům kontrolovanou laboratoř pro zkoumání jevů spojených s termodynamikou černých děr a kvantovou kritičností – otázky, které se nacházejí na hranici základní fyziky.

Širší souvislosti

Po desetiletí fyzici považovali elektrony v pevných látkách za nezávislé částice odrážející se mřížkou. Diracova tekutina tento obraz obrací naruby. Ukazuje, že za správných podmínek produkuje kvantový svět kolektivní stavy, jejichž chování odráží některá z nejextrémnějších prostředí v přírodě – od neutronových hvězd po první okamžik kosmické historie – to vše uvnitř vločky uhlíku tenčí než vlnová délka světla.