Графен с момента его открытия стал объектом интенсивного изучения благодаря своим уникальным физическим свойствам и возможности практического применения. Особое внимание привлекает состояние графена вблизи точки Дирака - места, где конусные энергетические зоны электронов и дырок пересекаются, создавая систему с линейной дисперсией и особенностями, присущими релятивистским частицам. В этом регионе электронные взаимодействия приобретают необычные черты, порождая так называемый квантовый критический Дираковский флюид. Это состояние характеризуется совокупностью универсальных физических величин, которые не зависят от деталей материала, но отражают фундаментальные законы квантовой критичности. Исследование такого квантового критического потока заряда и тепла в сверхчистом графене не только дает глубокое понимание природы электронных корреляций, но и прокладывает путь для создания новых электронных и тепловых устройств с уникальными функциями.
Основной вызов при изучении квантового критического состояния в графене связан с необходимостью получения устройств идеального качества. Ведь любые дефекты или примеси в структуре могут нарушить тонкие квантовые эффекты и затушевать проявления универсальности. Команда ученых под руководством Аникета Маджумдара и его коллег из Индианского института науки и Национального института материаловедения Японии достигла беспрецедентного качества образцов графена, капсулированных в гексагональном борном нитриде, которые практически лишены посторонних дефектов и обладают высокой подвижностью носителей заряда. Эта ультрачистая среда позволила экспериментально наблюдать классические теоретические предсказания о квантово-критическом поведении, долгое время остававшиеся недоказанными. Одним из ключевых открытий стало подтверждение предсказанной универсальности характеристической электропроводимости вблизи точки Дирака.
В отличие от традиционных металлов, где электропроводимость зависит от концентрации электронов и температуры, в квантово-критическом состоянии графена наблюдается стабилизация специфического значения проводимости, обусловленного фундаментальными свойствами системы. Это значение близко к квантованной константе, что указывает на существование универсального предела тока, протекающего через квантово-критический флюид. Интересной особенностью данного состояния является обратная взаимосвязь электрической и тепловой проводимости, что свидетельствует о подчинении системы законам релативистской гидродинамики. Электроны и дырки, взаимодействуя в пределах флюида, образуют коллективное движение, подобное вязкой жидкости, и тепло переносится через тот же квантовый механизм, что и заряд. Этот факт подтверждается наблюдением гигантского нарушения закона Видемана-Франца.
В классических металлах тепло и электричество связаны посредством постоянного коэффициента - числа Лоренца. В ультрачистом графене при низких температурах наблюдается превышение этого показателя более чем в 200 раз вблизи точки Дирака, что не имеет аналогов в других материалах. Подобные результаты усиливают представление о графене как о почти идеальной квантовой жидкости с минимальной динамической вязкостью, близкой по масштабам к минимальному пределу, установленному теорией квантовой вязкости, известной также из исследований квантовых черных дыр и теории АдС/КФТ. В частности, ученым удалось приблизиться к значению отношения динамической вязкости к энтропии, которое характеризует идеальную жидкость, уступая ему всего в четыре раза. Это открывает широкие перспективы для изучения фундаментальной физики и разработки квантовых устройств, основанных на гидродинамическом поведении электронов.
Такие свойства делают ультрачистый графен уникальной платформой для исследования не только квантового критического транспорта, но и взаимосвязи между электрическими и тепловыми процессами на микро- и наномасштабах. С помощью современных методов шума термометрии и электротранспортных измерений разработчики получили возможность более точно оценить параметры теплового потока и его связь с зарядовыми текущими, чем когда-либо ранее. Кроме того, понимание и подтверждение универсальности квантового критического потока имеет важное значение для практических приложений. Например, в области создания энергоэффективных электронных устройств с низкими потерями тепла, а также для разработки систем термоэлектрического и спинового управления информацией на квантовом уровне. Способность графена чувствительно реагировать на температурные и электронные флуктуации позволяет создавать сенсоры и устройства нового поколения с высокой степенью точности и энергоэффективности.
Исследования также актуализируют вопрос о роле взаимодействий и корреляций в двумерных системах при высоких температурах и низкой степени диссипации энергии. Наблюдаемая нелинейная зависимость вязкости от температуры и особенности перехода от кинетической к гидродинамической региметрам открывают возможности для дальнейшего теоретического совершенствования моделей квантовой жидкости. Задача описания перехода между этими режимами важна для глубокого понимания природы электронного потока и определения пределов миниатюризации электронных компонентов на базе графена. Область универсальности квантового критического поведения в графене оказывает влияние на смежные научные дисциплины, такие как физика спина, топологические состояния вещества и материалы с сильно выраженными корреляциями, где эффект квантовой критичности формирует основу для возникновения новых фаз и экзотических состояний материи. В перспективе результаты, полученные на графене, могут быть адаптированы для изучения неспецифических квантовых материалов, включая топологические изоляторы и сверхпроводники с необычными свойствами.
Глубокое экспериментальное и теоретическое изучение квантового критического потока заряда и тепла в ультрачистом графене открывает новую главу в исследовании конденсированного состояния вещества, показывая, что двумерный углеродный материал не просто перспективен для прикладных задач, но и является уникальным объектом фундаментальной физики, объединяющим принципы квантовой теории поля, релятивистской гидродинамики и статистической физики. Дальнейшее развитие в этой области потребует постоянного улучшения качества графеновых образцов, использования новых экспериментальных методик и расширения анализа динамических процессов при различных внешних условиях. Кроме того, междисциплинарные подходы, объединяющие методики теоретического моделирования, экспериментальной физики и материаловедения, сыграют ключевую роль в раскрытии всего потенциала квантовой критичности и всестороннего понимания роли универсальности в квантовом мире. Таким образом, обнаружение и изучение универсального квантового критического флюида в ультрачистом графене не только подтверждает фундаментальные теоретические представления, но и задаёт вектор развития как для науки о материалах, так и для инженерных приложений, обеспечивая плодотворную платформу для инноваций в области квантовых технологий и нанофизики. .
