科学家们在石墨烯中发现了一种“狄拉克流体”，其中电子像近乎完美的液体一样流动，违背了传统物理学。

石墨烯中的电子可以像完美的流体一样，违背既定的物理定律。这一发现推动了基础科学和潜在的量子技术的发展。

几十年来，量子物理学家一直在努力解决一个基本问题：电子能否像由普遍量子常数控制的无缺陷、无电阻的液体一样流动？事实证明，在大多数材料中检测这种异常状态几乎是不可能的，因为原子缺陷、杂质和结构缺陷会破坏这种效果。

检测石墨烯中的量子流体

印度科学研究所 （IISc） 物理系的一个团队与日本国立材料科学研究所的合作者合作，现已在石墨烯（一种由单层碳原子组成的材料）中发现了这种难以捉摸的电子流体。他们的发现发表在《自然物理学》上，为量子物理学提供了一条新途径，并证实了石墨烯作为探测异常量子行为的强大平台的作用。

“令人惊讶的是，即使在发现 20 年之后，仅仅在一层石墨烯上还有这么多事情要做，”IISc 物理系教授、该研究的通讯作者之一 Arindam Ghosh 说。

       左上：石墨烯器件的3D原子模型。左下：在光学显微镜下看到的实际设备的俯视图。右：电子在石墨烯内部像流体一样移动的艺术插图。

研究人员制作了异常干净的石墨烯样品，并监测了电传导和热传导。令他们惊讶的是，他们观察到这两种特性朝着相反的方向移动：当电导率上升时，导热率下降，反之亦然。这一出乎意料的结果揭示了与维德曼-弗朗茨定律的显着背离，维德曼-弗朗茨定律是金属物理学中著名的规则，规定两种电导率应该成正比。

在他们的石墨烯样品中，IISc团队观察到在低温下与这一定律的严重偏差超过200倍，证明了电荷和热传导机制的解耦。然而，这种解耦并不是一个随机事件——事实证明，在这种情况下，电荷和热传导都依赖于一个与材料无关的通用常数，该常数等于电导量子，电导量子是与电子运动相关的基本值。

狄拉克流体和奇异物质状态

这种奇特的行为出现在“狄拉克点”，这是一个精确的电子临界点——通过调整材料中的电子数量来实现——石墨烯既不是金属也不是绝缘体。在这种状态下，电子不再充当单个粒子，而是像液体一样一起移动，就像水一样，但粘度低一百倍。

                     IISc 的团队领导了这项工作。从左到右：Akash Gugnani、Aniket Majumdar、Pritam Pal、Arindam Ghosh。

“由于这种类似水的行为是在狄拉克点附近发现的，因此它被称为狄拉克流体——一种模仿夸克-胶子等离子体的奇异物质状态，夸克-胶子等离子体是欧洲核子研究中心粒子加速器中观察到的高能亚原子粒子的汤，”第一作者、物理系博士生 Aniket Majumdar 说。该团队还测量了这种狄拉克流体的粘度，发现它的粘度极低，最接近完美流体。

研究结果使石墨烯成为在实验室环境中研究高能物理学和天体物理学概念（例如黑洞热力学和纠缠熵缩放）的理想低成本平台。

从技术角度来看，石墨烯中狄拉克流体的存在也具有巨大的潜力，可用于能够放大非常微弱的电信号和检测极弱磁场的量子传感器。