그래핀은 물리학의 기본 법칙을 무시했습니다.

이제 인도 과학 연구소(IISc) 물리학과의 연구원들이 일본 국립 재료 과학 연구소의 협력자들과 협력하여 마침내 그래핀에서 이 포착하기 어려운 양자 유체를 확인했습니다. 이 물질은 평평한 시트에 배열된 단일 탄소 원자 층으로 구성됩니다. 그들의 연구 결과는 다음과 같이 보고되었습니다. 자연물리학양자 현상 연구를 위한 새로운 길을 열고 그래핀을 이전에 실험실 환경에서 도달할 수 없었던 효과를 탐구하기 위한 강력한 플랫폼으로 자리매김했습니다.

IISc 물리학과 교수이자 해당 연구의 교신저자 중 한 명인 Arindam Ghosh는 “발견된 지 20년이 지났음에도 단 하나의 그래핀 층에서 할 수 있는 일이 그토록 많다는 것은 놀라운 일입니다.”라고 말했습니다.

물리학의 기본 법칙을 깨뜨림

이러한 행동을 밝혀내기 위해 팀은 매우 깨끗한 그래핀 샘플을 만들고 전기와 열이 어떻게 전도되는지 주의 깊게 측정했습니다. 그들이 발견한 것은 예상치 못한 것이었다. 함께 증가하는 대신 두 속성이 반대 방향으로 이동했습니다. 전기 전도도가 높아지면 열전도도는 낮아지고, 그 반대도 마찬가지입니다.

이 결과는 금속의 열과 전기 전도가 비례해야 한다는 잘 확립된 원리인 비데만-프란츠 법칙과 직접적으로 모순됩니다. 연구진은 저온에서 이 법칙의 편차를 200배 이상 관찰했으며, 이는 물질을 통해 전하와 열이 이동하는 방식 사이의 현저한 분리를 보여주었습니다.

보편적인 양자 연결

이러한 비정상적인 분할에도 불구하고 동작은 무작위가 아닙니다. 두 가지 전도 유형 모두 물질 자체에 의존하지 않는 보편적인 상수를 따르는 것으로 보입니다. 이 상수는 전자가 가장 작은 규모에서 어떻게 움직이는지 설명하는 기본 양인 전도도의 양자와 연결되어 있습니다.

Dirac 유체와 액체와 유사한 전자

이 놀라운 효과는 그래핀이 금속과 절연체 사이의 경계에 있는 “디랙 포인트(Dirac point)”라고 알려진 특수한 조건에서 발생합니다. 연구자들은 전자의 수를 조정함으로써 이러한 정확한 상태에 도달할 수 있습니다.

이 시점에서 전자는 개별 입자처럼 행동하지 않습니다. 대신, 그들은 액체처럼 흐르면서 집단적으로 움직인다. 이 유체와 같은 움직임은 물과 비슷하지만 흐름에 대한 저항이 훨씬 낮습니다. “이 물과 같은 행동은 Dirac 지점 근처에서 발견되기 때문에 Dirac 유체라고 불립니다. 이는 CERN의 입자 가속기에서 관찰된 고에너지 아원자 입자 수프인 쿼크-글루온 플라즈마를 모방한 이국적인 물질 상태입니다.”라고 물리학과의 제1저자이자 박사 과정 학생인 Aniket Majumdar가 말했습니다. 또한 팀은 이 유체가 얼마나 쉽게 흐르는지 측정하고 점도가 극도로 낮아 지금까지 관찰된 완벽한 유체의 가장 가까운 구현 중 하나라는 사실을 발견했습니다.

극한 물리학을 향한 새로운 창

이러한 결과는 일반적으로 극한 환경과 관련된 아이디어를 탐구하기 위한 접근 가능하고 비용 효율적인 시스템으로 그래핀을 확립합니다. 과학자들은 이제 실험실 환경 내에서 블랙홀 열역학 및 얽힘 엔트로피 스케일링을 포함하여 고에너지 물리학 및 천체 물리학과 관련된 현상을 조사할 수 있습니다.

양자 기술의 미래 응용

이번 발견은 과학적 중요성 외에도 실질적인 의미를 가질 수 있습니다. 그래핀에 Dirac 유체가 존재하면 매우 민감한 양자 센서를 개발할 수 있습니다. 이러한 장치는 극도로 약한 전기 신호를 증폭하고 희미한 자기장을 감지하여 감지 및 측정에 새로운 기술의 문을 열 수 있습니다.