Metal jak woda

Od momentu jego odkrycia - dekadę temu - naukowcy i tech guru okrzyknęli grafen super materiałem, który może zastąpić krzem w elektronice, zwiększać wydajności baterii, wytrzymałość i przewodność ekranów dotykowych i utorować drogę do taniej cieplnej energii elektrycznej.

Szeroki na jeden atom grafen jest mocniejszy niż stal, twardszy niż diament i jest jednym z najbardziej przewodzących materiałów na ziemi.

Jednakże istnieje kilka wyzwań, które należy pokonać, zanim produkty oparte na grafenie będą wprowadzane na rynek. Naukowcy wciąż próbują zrozumieć podstawową fizykę tego unikalnego materiału -  co jest to bardzo trudne do wykonania.

Okazuje się, iż w przypadku grafenu, po raz pierwszy odkryto elektrony w metalu zachowujące się jak ciecz.

W celu dokonania tej obserwacji ulepszono metody tworzenia ultra czystego grafenu i opracowano nowy sposób pomiaru przewodności cieplnej. Badania te mogą doprowadzić do powstania nowych urządzeń termoelektrycznych, jak również dostarczenia modelu układu do odkrywania egzotycznych zjawisk, takich jak czarne dziury i plazmy o wysokiej energii.

W zwykłych metalach trójwymiarowe elektrony trudno oddziałują ze sobą. Ale dwuwymiarowa struktura grafenu  działa jak autostrada elektronowa, na której wszystkie cząstki mają podróżować w tym samym pasie ruchu. Elektrony w grafenu zachowują się jak bezmasowe relatywistyczne obiekty, niektóre z ładunkiem dodatnim, a niektóre z ładunkiem ujemnym. Poruszają się z niesamowitą prędkością - 1/300 prędkości światła - i  przewiduje się, że zderzają się ze sobą dziesięć bilionów razy na sekundę w temperaturze pokojowej. Te intensywne oddziaływania pomiędzy cząstkami nigdy nie były wcześniej obserwowane w zwykłym metalu.

Zespół stworzył ultra-czystą próbkę przez wciśnięcie jednego atomu grafenu między dziesiątki warstw elektrycznie izolującego doskonale przeźroczystego kryształu o podobnej strukturze atomowej co grafen.

Istotne jest, aby stworzyć grafen bez ingerencji z  otoczenia – jeśli grafen otacza coś, co jest szorstkie i nieuporządkowane, to będzie przeszkadzać w ruchu elektronów.

Następnie utworzono rodzaj zupy cieplnej z naładowanych dodatnio i ujemnie cząstek na powierzchni grafenu i obserwowano jak te cząstki płynęły, traktując je jako prądy termiczne i elektryczne.

Większość naszego świata – czy to płynie jak woda (Hydrodynamika) czy to porusza się po krzywej - jest opisana przez fizykę klasyczną. Bardzo małe rzeczy, takie jak elektrony, są opisane przez mechanikę kwantową, bardzo duże i bardzo szybkie rzeczy, takie jak galaktyki, są opisane przez fizykę relatywistyczną, zapoczątkowaną przez Alberta Einsteina.

Połączenie tych praw fizyki jest bardzo trudne, ale istnieją skrajne przykłady, gdzie zachodzą na siebie systemy o wysokiej energii, takie jak supernowe i czarne dziury i które mogą być opisane poprzez połączenie klasycznej teorii hydrodynamiki z teorią względności Einsteina.

Wracając do grafenu: gdy silnie oddziałujące cząstki grafenu były napędzane przez pole elektryczne, nie zachowywały się jak pojedyncze cząstki, ale jak płyn, który może być opisany przez hydrodynamikę.

Zamiast oglądać jak jedna cząstka została dotknięta przez siłę elektryczną lub cieplną, można zobaczyć energię, ponieważ płynie ona z wielu cząstek, jak fala przez wodę.

Fizykę odkrytą dzięki analizie czarnych dziur i teorii strun, można zaobserwować w grafenie. Jest to pierwszy model relatywistycznej hydrodynamiki w metalu.