摘要：一项突破性发现正在改写我们对电子行为的基本认知。印度科学研究所与日本国家材料科学研究所的联合研究团队在石墨烯中观察到了一种前所未有的现象：电子能够像几乎没有粘度的完美流体一样运动，这一发现直接挑战了维德曼-弗朗兹定律等经典物理学原理，为量子物理学开辟了全新的研

信息来源：https://scitechdaily.com/decades-old-quantum-puzzle-solved-graphene-electrons-violate-fundamental-law-of-physics/

一项突破性发现正在改写我们对电子行为的基本认知。印度科学研究所与日本国家材料科学研究所的联合研究团队在石墨烯中观察到了一种前所未有的现象：电子能够像几乎没有粘度的完美流体一样运动，这一发现直接挑战了维德曼-弗朗兹定律等经典物理学原理，为量子物理学开辟了全新的研究方向。

这个被称为"狄拉克流体"的奇异物质状态，其粘度比水低一百倍，展现出与高能物理学中夸克胶子等离子体相似的特性。研究成果发表在《自然物理》杂志上，不仅解决了困扰物理学界数十年的理论难题，更为量子技术应用提供了全新的可能性。

科学家在石墨烯中检测到了一种“狄拉克流体”，其中电子的流动方式接近完美的液体，这与传统物理学原理相悖。图片来源：SciTechDaily.com

研究团队通过精密制备超洁净的石墨烯样品，在极低温条件下同时测量其电导率和热导率，意外发现了一个令人震惊的现象：当电导率上升时，热导率却下降，反之亦然。这种行为完全违背了维德曼-弗朗兹定律的预测，该定律是金属物理学的基础理论之一，认为电导率和热导率应该成正比关系。

颠覆性发现的科学意义

这一发现的关键在于研究团队观察到的脱钩现象并非随机发生，而是遵循着更深层的量子力学规律。在石墨烯的特殊状态——狄拉克点附近，电荷传导和热传导都受到一个普适的量子常数控制，这个常数等于电导量子，是与电子运动相关的基本物理常量。

印度科学研究所物理系教授阿林达姆·戈什作为研究的通讯作者之一，对这一发现表示惊叹："经过20年的探索，仅在一层石墨烯上就能实现如此多的功能，这真是令人惊奇。"这种感叹反映了石墨烯作为研究平台的独特价值和这一发现的重要性。

狄拉克点是石墨烯中一个极其精确的电子临界点，通过精确调控材料中的电子数量来实现。在这个特殊状态下，石墨烯既不表现为金属也不表现为绝缘体，电子的行为发生了根本性转变。原本作为独立粒子运动的电子开始表现出集体行为，形成了一种类似液体但粘度极低的物质状态。

左上：石墨烯器件的3D原子模型。左下：光学显微镜下的实际器件顶视图。右：石墨烯内部电子像流体一样运动的艺术插图。图片来源：Aniket Majumdar

研究的第一作者、物理系博士生阿尼克特·马宗达解释了这种现象的深层含义："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——一种模拟夸克胶子等离子体的奇异物质状态。"这种类比并非偶然，夸克胶子等离子体是欧洲核子研究中心大型强子对撞机等高能粒子加速器中观察到的极端物质状态，由高能亚原子粒子组成。

理论与实验的完美结合

IISc 团队领导这项工作。从左到右：Akash Gugnani、Aniket Majumdar、Pritam Pal、Arindam Ghosh。图片来源：Aniket Majumdar

这项研究的成功不仅在于实验技术的突破，更在于理论预测与实验结果的高度吻合。研究团队测量的脱钩效应超过200倍，这个巨大的偏差清晰地表明了电荷传导和热传导机制的根本性分离。这种分离现象的发现为理解量子物质的基本性质提供了新的视角。

石墨烯的独特性质使其成为研究这种奇异量子现象的理想平台。作为由单层碳原子组成的二维材料，石墨烯具有极高的电子迁移率和独特的能带结构。更重要的是，通过精密的制备技术，研究人员能够获得几乎没有原子缺陷、杂质和结构缺陷的超洁净样品，这是观察狄拉克流体现象的关键前提条件。

传统材料中电子的量子流体行为往往被各种缺陷掩盖，使得这种现象极难观察。石墨烯的二维结构和优异的材料质量为研究提供了前所未有的实验条件，使得长期以来只存在于理论预测中的狄拉克流体得以在实验中被直接观察和测量。

技术应用的广阔前景

这一基础科学发现的价值不仅限于理论层面，它为多个技术领域的发展开辟了新的道路。狄拉克流体的独特性质使其在量子传感器领域具有巨大的应用潜力。这种传感器能够放大极其微弱的电信号，检测几乎无法测量的磁场变化，在精密测量、生物医学诊断、地质勘探等领域具有重要应用价值。

从更广阔的视角来看，石墨烯中狄拉克流体的发现为在实验室条件下研究高能物理和天体物理现象提供了一个低成本、高效率的平台。黑洞热力学、纠缠熵标度等原本只能通过理论计算或昂贵的大型实验设备研究的概念，现在可以通过相对简单的石墨烯实验来探索。

这种"桌面高能物理"的实现具有深远的意义。它不仅能够加速我们对基本物理规律的理解，还可能为开发新型量子技术提供实验基础。量子计算、量子通信、量子精密测量等前沿技术都可能从这一发现中获得新的发展动力。

未来研究的新方向

这项研究的成功标志着凝聚态物理学一个新研究方向的开启。狄拉克流体现象的发现不仅验证了长期以来的理论预测，更重要的是它揭示了二维量子材料中可能存在的更多奇异物质状态。

研究团队的工作为未来的研究指明了方向。通过进一步优化石墨烯样品的质量，探索不同条件下的狄拉克流体行为，科学家们有望揭示更多关于量子物质基本性质的秘密。同时，类似的研究方法也可以应用于其他二维材料，如过渡金属硫化物、黑磷等，寻找更多的奇异量子现象。

从技术发展的角度来看，这一发现为设计新型量子器件提供了理论基础。基于狄拉克流体特性的量子器件可能具有前所未有的性能特征，在信息处理、能量转换、精密测量等方面展现出独特优势。

这项研究的成功也体现了国际科学合作的重要性。印度科学研究所与日本国家材料科学研究所的合作，结合了双方在理论物理和材料科学方面的优势，为解决这一长期存在的科学难题提供了关键支撑。这种合作模式为未来的量子科学研究提供了有益的经验。

来源：人工智能学家