Elektrony v grafenu se mohou chovat jako voda, která se řídí teorií relativity

Grafen je speciální uhlíková nanostruktura, která je uspořádána na úrovni jednotlivých atomů v měřítku nanometrů. Připomíná velmi jemné šestiúhelníkové a pravidelně srovnané pletivo, v jehož uzlech se nacházejí jednotlivé atomy uhlíku.

Tloušťka této jednoatomární vrstvy činí jen asi jednu třetinu nanometru. Mezi zajímavé vlastnosti grafenu patří jeho vynikající mechanické, elektronické, tepelné a optické vlastnosti, které otevírají cestu k novým špičkovým výrobkům a aplikacím, ať už jde o přenos informace, transformaci různých forem energie mezi sebou nebo o různé senzory.

Mezinárodní skupina vědců (pracujících na Harvardské Univerzitě, v Japonsku, Kanadě a ve firmě Raytheon BBN Technologies) vytvořila v ultračistém grafenu situaci, za které se v něm přítomné elektrony začaly chovat kolektivně jako kvantová tekutina, jejíž dynamika se řídí zákony pro tzv. relativistické či subsvětelné rychlosti, tedy rychlosti, porovnatelné s nejvyšší rychlostí ve vesmíru, rychlostí světla.

Elektrony se zde velmi často srážejí jeden s druhým (zhruba desetibilionkrát za sekundu) a jejich rychlosti se přitom pohybují kolem 1/300 rychlosti světla, tedy kolem 1000 kilometrů za sekundu. Jednoatomární vrstvička ultračistého grafenu přitom musela být během experimentů vložena mezi deset izolačních vrstev průhledného nanokrystalu.

Dotyčná “tekutina”, která vznikla díky pohybům elektronů za těchto podmínek, byla nazvána “Diracovou tekutinou”. V této tekutině se chovají elektrické náboje a tepelné toky jakoby odděleně, což napomáhá obrovskému vzrůstu tepelné vodivosti v grafenu. Tento jev by mohl mj. vést k vývoji velmi efektivních termoelektrických součástek.

Lze také říci, že tzv. elektronová tekutina v tomto kovu podobném prostředí teče “hromadně”, tedy vlastně trochu jako voda. Tato “voda” však teče grafenem za specifických podmínek, kdy zároveň platí zákony kvantové mechaniky a speciální teorie relativity, což je na pozemské podmínky dosti neobvyklé a tato situace bývá navíc i teoreticky obtížně uchopitelná.

Diracova tekutina v grafenu se totiž řídí podobnými zákonitostmi, jako řada jevů ve vysokoenergetickém astrofyzikálním plazmatu, které pozorujeme z velké dálky např. v případě hvězd, supernov nebo v okolí černých děr. Vědci tak poprvé získali zajímavý experimentální nástroj, jak modelovat doslova na pracovním stole (a dokonce na elektronickém čipu) podmínky, které platí v rámci exotických astrofyzikálních objektů ve vzdáleném vesmíru.

Zdroje: Phys.Org, ScienceDaily, Futurism, Kurzweil AI, Science Magazine, GizMag